Die richtigen Prozessdaten aus Impulssignalen gewinnen
Impuls- und Frequenzsignale kommen in einer Vielzahl industrieller Anwendungen zum Einsatz – doch die Umwandlung dieser Signale in aussagekräftige Prozessdaten ist nicht immer trivial.
Impuls- und Frequenzsignale finden sich in Anwendungen von rotierenden Mischern und Fördersystemen bis hin zu Durchflussmessern, Dosieranlagen und Verpackungsmaschinen.
Obwohl sich die physikalischen Prozesse unterscheiden können, beruhen sie oft auf demselben Grundprinzip: Ein Sensor erzeugt Impulse, die proportional zu Bewegung, Rotation oder Durchfluss sind.
Die Herausforderung besteht darin, dass Impulssignale keinen direkten Prozesswert darstellen. Stattdessen kann dieselbe Impulsfolge je nach Messaufgabe der Anwendung auf unterschiedliche Weise interpretiert werden.
Geschwindigkeit versus Entfernung
Betrachten wir einen induktiven Näherungssensor, der Signale von Rollen auf einem Förderband erfasst.
Die Impulsfrequenz kann zur Berechnung folgender Größen verwendet werden:
Förderbandgeschwindigkeit (Meter / Minute)
Materialaufgaberate
Maschinensynchronisation
Werden die Impulse hingegen über die Zeit aufaddiert, kann derselbe Encoder außerdem Folgendes bestimmen:
zurückgelegte Strecke
produzierte Kabellänge
Produktposition
Diese Unterscheidung ist wichtig: Geschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich etwas in diesem Moment bewegt. Entfernung beschreibt, wie weit sich etwas im Laufe der Zeit bewegt hat.
Beide Messwerte stammen vom selben Sensor, erfordern jedoch unterschiedliche Strategien der Signalaufbereitung.
Durchfluss versus Volumen
Das gleiche Prinzip gilt auch für Durchflussanwendungen.
Ein Durchflussmesser mit Impulsausgang erzeugt Impulse, die proportional zur Bewegung der Flüssigkeit durch eine Rohrleitung sind.
Die Impulsfrequenz kann zur Bestimmung folgender Größen verwendet werden:
Durchflussrate (Liter / Minute)
Durchflussrate (m³ / h)
Durchflussrate (Gallonen / Minute)
Werden die Impulse stattdessen aufsummiert, lassen sich damit bestimmen:
Gesamtwasserverbrauch
Chargenvolumen
Tankfüllvolumen
In diesem Fall gilt: Durchfluss beschreibt die aktuelle Durchflussrate. Volumen beschreibt die Gesamtmenge, die das System durchlaufen hat.
Obwohl beide Werte vom selben Durchflussmesser stammen, handelt es sich um grundverschiedene Messgrößen.
Warum diese Unterscheidung wichtig ist
Das Verständnis des Unterschieds zwischen ratenbasierten Messungen und akkumulierten Messungen ist bei der Auswahl des geeigneten Instrumententyps von entscheidender Bedeutung.
Anwendungen, die fragen:
„Wie hoch ist die aktuelle Drehzahl (RPM)?“
„Wie hoch ist die aktuelle Förderbandgeschwindigkeit?“
„Wie hoch ist die aktuelle Durchflussrate?“
erfordern eine kontinuierliche Frequenzmessung.
Anwendungen, die fragen:
„Wie viele Meter wurden produziert?“
„Wie viel Wasser wurde verbraucht?“
„Wie viele Impulse sind seit dem Reset aufgetreten?“
erfordern Impulsaufsummierung und Totalisierung.
Die Wahl des falschen Messprinzips kann zu einem System führen, das zwar den korrekten Momentanwert liefert, aber nicht den für den Prozess erforderlichen akkumulierten Wert.
Wenn eine präzise Totalisierung gefordert ist, kann die Verwendung einer SPS oder eines SCADA-Systems zur Integration abgetasteter Ratensignale zu Messfehlern führen. So ist zum Beispiel die Schätzung des Volumens durch periodische Abtastung eines Durchflusssignals häufig weniger genau als die Nutzung einer dedizierten Totalisierungsfunktion.
Anwendungsbeispiel: Überwachung der Rührerdrehzahl in der pharmazeutischen Produktion
Die Drehzahl ist ein kritischer Prozessparameter in der pharmazeutischen Produktion.
Die Mischgeschwindigkeit wirkt sich direkt aus auf:
Produktqualität
Chargenkonsistenz
Lösungsraten
Prozesswiederholbarkeit
Viele Mischer verwenden induktive Sensoren, Hall-Effekt-Sensoren oder Encoder, die Impulssignale erzeugen, die proportional zur Wellendrehung sind.
Die Herausforderung besteht darin, dass Prozessleitsysteme in der Regel standardisierte Prozesssignale und keine Roh-Frequenzinformationen benötigen.
Durch die Umwandlung der Frequenz in technische Einheiten wie z. B. Drehzahl (RPM) und die Erzeugung eines standardisierten Ausgangssignals, z. B. 4–20 mA, erhalten die Bediener einen kontinuierlichen Einblick in den Prozess, während gleichzeitig die Kompatibilität mit bestehenden Prozessleitsystemen gewahrt bleibt.
Anwendungsbeispiel: Integration von Durchflussmessern mit Impulsausgang
Viele Durchflussmesser liefern Impulsausgänge anstelle analoger Prozesssignale.
Im Folgenden einige Beispiele:
Turbinen-Durchflussmesser
Wasserzähler
Schaufelrad-Durchflussmesser
Dosiersysteme
Die Impulsfrequenz ist proportional zur Durchflussrate. Mit steigendem Durchfluss steigt die Impulsfrequenz.
Für Maschinenbauer und Erstausrüster (OEMs) stellt dies eine Herausforderung dar, da Kunden unterschiedliche Durchflussmesser-Technologien auswählen können.
Bei einer Installation kommt möglicherweise ein Durchflusssensor mit digitalem Ausgang zum Einsatz. In einer anderen wird ein Wasserzähler mit Reed-Kontakt verwendet. In einer dritten Anwendung wird ein PNP-Impulsausgang genutzt.
Zweitens repräsentiert jeder Impuls ein gerätespezifisches Volumen; daher ist eine einfache Einstellung nach dem Prinzip „ein Impuls entspricht Volumen X“ sehr hilfreich. Hier sind Signalaufbereitungsgeräte mit einer Impulsteilungsfunktion von Vorteil.
In diesen Anwendungsbeispielen ermöglicht eine flexible Signalaufbereitung die Umwandlung dieser unterschiedlichen Signale in ein einheitliches Prozesssignal – ganz ohne Neudesign des Prozessleitsystems.
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Warum hochwertige Signalaufbereitung der Schlüssel zu präzisen Prozessdaten ist
Genaue Impuls- und Frequenzmessungen hängen von weit mehr ab als nur vom Sensor selbst.
In realen Industrieumgebungen kann die Signalqualität durch elektrisches Rauschen, lange Kabelstrecken, Frequenzumrichter (VFDs), Motorstarter und Schaltnetzteile beeinträchtigt werden.
Ohne eine geeignete Signalaufbereitung können Störungen zu falschen Impulserkennungen, instabilen Messwerten oder fehlerhaften Berechnungen von Geschwindigkeit, Durchfluss, Entfernung oder Volumen führen.
Eine galvanische Trennung hilft, Erdschleifen und Potenzialunterschiede zwischen Feldgeräten und dem Prozessleitsystem zu eliminieren. Dies verbessert die Messstabilität und schützt gleichzeitig angeschlossene Geräte vor elektrischen Störungen.
Eine gute EMV-Performance ist ebenso wichtig. Impulssignale basieren auf der präzisen Erfassung jedes einzelnen Übergangs. Elektromagnetische Störungen können unerwünschte Impulse erzeugen oder gültige Impulse überdecken – mit der Folge ungenauer Prozesswerte und lästiger Fehlalarme.
Signalfilterung bietet eine zusätzliche Schutzebene, insbesondere bei der Arbeit mit mechanischen Kontakten oder Sensoren auf Basis von Reed-Schaltern.
Durch das Filtern von Kontaktprellen und transientem Rauschen bleibt die Messung stabil, ohne die Ansprechzeit zu beeinträchtigen.
Ob Drehzahl, Förderbandgeschwindigkeit, Durchflussrate oder totalisiertes Volumen – zuverlässige Prozessdaten beginnen mit einem sauberen und stabilen Signal. Wirksame Isolation, EMV-Störfestigkeit und Rauschfilterung sorgen dafür, dass die dem Bediener und dem Prozessleitsystem angezeigten Werte den realen Prozess exakt widerspiegeln.
Die richtige Signalaufbereitungslösung wählen
Frequenzmessung versus Totalisierung
Diese Unterscheidung wird besonders wichtig, wenn Signalaufbereitungsgeräte ausgewählt werden.
Impuls-zu-Analog- oder Frequenzsignalumwandlung mit Frequenzumsetzern: PR 3225, PR 4225 und PR 5725
Die Geräte PR 3225, PR 4225 und PR 5725 sind für frequenzbasierte Messungen optimiert, zum Beispiel für:
Drehzahl
Förderbandgeschwindigkeit
Durchflussrate
Frequenzüberwachung
Ihr Zweck ist es, eine eingehende Impulsfrequenz in Folgendes umzuwandeln:
4-20 mA
0-10 V
Frequenzausgänge
Relaisausgänge
Displayanzeige des Momentanwerts
Mit anderen Worten: Sie beantworten die Frage: „Was geschieht gerade – wie ist der aktuelle Status der Signalrate?“
Beispiele:
aktuelle Drehzahl
aktuelle Bandgeschwindigkeit
aktuelle Durchflussrate
Sie sind nicht als Impulstotalisier bzw. Summenzähler konzipiert und sollten nicht als Lösungen für die Erfassung von zurückgelegten Strecken, Volumina oder Produktionsmengen betrachtet werden.
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Impuls-zu-Impuls-, Frequenz- oder Analogsignalumwandlung mit Frequenzumsetzern: PR 5223 und PR 5225
Manche Anwendungen erfordern mehr als nur eine Momentanwertmessung.
Bei Anwendungen wie:
Volumentotalisierung
Längenmessung
Produktzählung
Chargenmanagement
Produktionsaufsummierung
muss das System Impulse im Zeitverlauf zählen und verarbeiten.
Diese Anwendungen benötigen Totalisierung bzw. Summenzählung und mathematische Verarbeitung statt einer einfachen Frequenzumwandlung.
Hier kommen programmierbare Geräte wie der PR 5223 und der PR 5225 ins Spiel.
Sie lassen sich so konfigurieren, dass sie anwendungsspezifische Berechnungen, Impulsaufsummierung und erweiterte Skalierungsfunktionen ausführen, die sowohl ratenbasierte als auch akkumulierte Messungen unterstützen.
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Produktspezifische Anwendungsrichtlinien:
Verwendung | Messart | Typische Lösung |
Mischer-Drezahl | Geschwindigkeit | |
Förderbandgeschwindigkeit | Geschwindigkeit | |
Momentandurchfluss | Durchflussrate | |
Produzierte Kabellänge | Entfernung | |
Produktzählung | Totalisierung | |
Wasserverbrauch | Volumen | |
Chargenvolumen | Volumen | |
Displayanzeige | Durchflussrate / Geschwindigkeit |
Von Impulssignalen zu wertvollen Prozessinformationen
Ob Ihre Anwendung einen Mischer, ein Fördersystem, einen Durchflussmesser, einen Encoder oder eine komplette Produktionslinie umfasst – die grundlegende Herausforderung bleibt dieselbe: Impulsinformationen in aussagekräftige Prozessdaten zu verwandeln.
Der Schlüssel liegt darin, zu verstehen, ob die Anwendung einen Momentanwert wie Geschwindigkeit oder Durchfluss oder einen akkumulierten Wert wie Entfernung oder Volumen benötigt.
Mit der passenden Strategie der Signalaufbereitung können Ingenieure die Integration vereinfachen, die Messgenauigkeit steigern und flexiblere Automatisierungslösungen realisieren.
Benötigen Sie Hilfe bei der Auswahl der richtigen Lösung?
Ob Ihre Anwendung die Drehzahlüberwachung, die Förderbandgeschwindigkeit, die Durchflussmessung, die Distanzverfolgung oder die Totalisierung umfasst – PR electronics hilft Ihnen, den optimalen Ansatz für die Signalaufbereitung zu identifizieren.
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