In industriellen Mess- und Regelsystemen gehört die Signaltrennung zu den entscheidenden Faktoren für die Zuverlässigkeit und die Betriebssicherheit.

In industriellen Umgebungen werden unterschiedliche Signale erfasst, deren Integrität durch äußere Einflüsse permanent gefährdet ist. Dort kommt es immer wieder zu Problemen und Gefährdungen, die durch Einsatz entsprechender Techniken der Signaltrennung zumindest deutlich reduziert werden können.
Die Relevanz der Signaltrennung wird deutlich, wenn man die Umgebungen betrachtet, in der die meisten Mess- und Regelsysteme eingesetzt werden. Dies sind z. B. große Fabriken, schwere Maschinen oder Fertigungsstraßen. In diesen Umgebungen wird die Signalintegrität durch eine Vielzahl von Einflüssen bedroht. Selbst die Zerstörung empfindlicher Sensorelemente muss als potenzielles Risiko in Betracht gezogen werden. Bei auftretenden Fehlern muss wenigstens das automatische Herstellen eines sicheren Zustands der Anlage gewährleistet sein.

Die häufigsten Einflüsse auf die Signalverarbeitung in industriellen Umgebungen

Kurzzeitige Überspannungen
Kurzzeitige Überspannungen – durch Blitzeinschläge, Stromausfall oder ausgelöste Schutzschalter können Spannungsspitzen durch Induktion auf die Leitungsführung einwirken.
Masseschleifen
Beim Einsatz von Sensoren im Feld oder in großflächig verteilten Messsystemen können Differenzen in den Massepotenzialen Stromflüsse induzieren, die in der Folge zu Fehlern im Sampling-Prozess der Signale und schlimms­tenfalls zur Zerstörung der Hardware führen.
Gleichtaktspannungen
Wenn elektrische Felder auf die Messleitungen einwirken, kann bei geschickter Planung die Wirkung reduziert (verdrillte Leitungen) oder bei Übertragung als Differenzsignal herausgerechnet werden (Differenzverstärker).
Einige der genannten Störfaktoren lassen sich abmildern. Induktionsspannungen z. B. lassen sich durch räumlich getrennte Verkabelung von Versorgungsleitungen und Messleitungen reduzieren. Eine gänzliche Beseitigung der Einflüsse durch derartige Maßnahmen ist jedoch schwierig.
Die in den Messsystemen verbauten elektronischen Elemente sind nicht für hohe Spannungen ausgelegt, wie sie in industriellen Anlagen auftreten können. Gerade für diese besonders kostenintensiven Einheiten besteht das latente Risiko der Zerstörung durch Überspannung. Die Minimierung dieses Risikos führt folglich auch zu einer Reduzierung der Betriebskosten, insbesondere für Reparaturen und Stillstandszeiten als Folge von System­ausfällen.

Signaltrennung
Signaltrennung bedeutet, die Messsignale aus dem Feld elektrisch und physisch vom Regelsystem zu trennen und gleichzeitig die Interaktion zwischen Datenerfassung und Regelung aufrecht zu erhalten. Damit ist es möglich, mit unterschiedlichen Spannungspegeln und Massepotenzialen innerhalb eines Messsystems zu arbeiten. Während auf der Messseite hohe Spannungen anliegen können, bleibt auf der anderen Seite der Isolationsbarriere das em­pfindliche Messsystem selbst vor den potenziell gefährlichen Spannungen und Spannungsspitzen geschützt.
Normalerweise wird die elektrische Isolation (auch galvanische Trennung genannt) mit einer der folgenden gängigen Methoden erreicht.

• Induktiv – Eingesetzt wird ein Trenntransformator, der das Signal mittels Spulen um einen ferromagnetischen Kern überträgt.
• Optisch – Eingesetzt wird ein Optokoppler, der mit einer Lichtquelle und einem Licht­sensor arbeitet. Hierbei wird das elektrische Signal in ein Lichtsignal transformiert, an den Lichtsensor übertragen und anschließend wieder in ein elektrisches Signal transformiert. Mittlerweile werden vermehrt auch Glasfaserleitungen für die optische Übertragung eingesetzt.
• Kondensator – Bei der kapazitiven Kopplung, auch AC-Kopplung genannt, wird für die Signalübertragung das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten verwendet.
• Darüber hinaus werden für die entkoppelte Datenübertragung heute auch Funktechniken wie WLAN, Bluetooth oder ZigBee eingesetzt.

Schutz der elektrisch sensiblen ­Komponenten
Bei allen sonstigen Vorteilen der Signaltrennung in Mess- und Regelsystemen bleibt der Schutz der elektrisch sensiblen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Doch auch die weiteren Nutzen sollen nicht unbeachtet bleiben:

Eliminierung von Masseschleifen
Als Ergebnis der elektrischen Trennung verbindet die Masse oder Erde nicht mehr beide Seiten des Messsystems. Damit wird die Entstehung von Masseschleifen durch unterschiedliche Massepotenziale verhindert und so eine typische Fehlerquelle für Messsignale ausgeschaltet, ebenso wie das Risiko der Zerstörung von elektronischen Komponenten.

Gleichtaktunterdrückung (CRM = Common Mode Voltage Rejection)
Hohe Gleichtaktspannungen lassen sich unterdrücken, ohne die eigentlichen Prozessinformationen zu verlieren. Durch Einsatz von Differenzverstärkern oder Operationsverstärkern wird so die Übertragung hoher Signalspannungen in die Datenerfassungselektronik verhindert.
Bei den meisten Einrichtungen zur Signal­trennung wird die Art der Isolierung unterschieden in:

• Channel-to-Bus – Die Isolation separiert jeden Kanal auf der Feldseite der Barriere von der Elektronik auf der Systemseite. Die Kanäle untereinander sind nicht getrennt.
• Channel-to-Channel – Die Isolation separiert die Kanäle sowohl voneinander als auch vom Bus.

Lösungsansatz
Der US-Hersteller und Spezialist für Datenerfassungssysteme Dataforth entwickelt und fertigt eine große Bandbreite von isolierten Signalkonditionierungsmodulen und deckt damit ein breites Anwendungsspektrum von Sensorschnittstellen ab. Durch die Kombination von Signalkonditionierung und Signaltrennung entsteht bei Einsatz der Dataforth-Module nur sehr geringes Rauschen und es verbleibt geringe Restwelligkeit bei höchster Störsignalunterdrückung (CRM). Die empfindliche Daten­erfassungselektronik wird geschützt und die Signalintegrität bleibt in hohem Maß erhalten. Dabei kommen drei Varianten der Signaltrennung zum Einsatz:

• 2-Wege-Trennung – Signalweg und Spannungsversorgung
• 3-Wege-Trennung – Signalweg, Spannungsversorgung und Spannungsversorgung der Computer-Seite
• 4-Wege-Trennung – Signalweg, Spannungsversorgung, Spannungsversorgung der Computer-Seite und Spannungsversorgung der Sensorik

Alle Signalkonditionierungsmodule und Daten­erfassungssysteme von Dataforth arbeiten mit einer sicheren Isolationsstärke. Die Wahl der minimal erforderlichen Isolationsstärke ist entscheidend für den Schutz und die Sicherheit der Messausrüstung. Die optische oder ma­gnetische Signaltrennung ist integraler Bestandteil aller Module. Darüber hinaus werden die Signale als Vorbereitung auf die nächsten Schritte im Datenerfassungsprozess konditioniert.