Messwandler übernehmen bei einer robusten Messdatenerfassung eine wichtige Aufgabe: Sie sorgen für die galvanische Trennung zwischen Sensor und Datenverarbeitung. Skalierbare, universelle Messmodule vereinfachen hier das Auslesen von Messdaten mit hoher Genauigkeit.

Moderne Messwandler digitalisieren das Signal intern, stellen aber auch optional die Analogwerte bereit. Als analoge Werte sind 0…10 V oder 0…10 mA üblich. Bei geforderter Ausfallüberwachung werden auch 4…10 mA verwendet, sodass der minimale Messwert 4mA entspricht und bei Leitungsunterbrechung mit 0 mA sofort der Fehlerzustand erkannt wird. Strombasierte Signale sind generell unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störspannungen, da die Störung meist geringe Leistung hat und nur bei hochohmigen Eingängen zur Spannungsmessung relevante Pegel erzeugt. Daher wird die strombasierte Übertragung im Störumfeld von Industrieanwendungen gerne gewählt. Bei einer Spannungsmessung werden die Messkabel meist verdrillt (twisted pair) geführt und nur die Differenzspannung betrachtet, sodass die Störung beide Kabel in etwa gleich beeinflusst, was sich in der Differenz auslöscht.
Die Schnittstelle zu externen Geräten zur Prozessteuerung und Prozesskontrolle erfolgt über integrierte Relais oder Halbleiter-Interfaces, oft TTL kompatibel. So lassen sich Systemzustände ausgeben (über Kontrolllampen oder akustische Meldern), sowie Ventile oder Schieber ansteuern oder deren Stellung einlesen. Erweiterungsmodule ergänzen die Fähigkeiten um weitere Ein- und Ausgänge.

An die Anwendung anpassbar
Gängige Module besitzen heute eine umfassende Funktionalität. Für die Anlagensicherheit ist es von Vorteil, wenn ein solches Modul vom Nutzer nicht zusätzlich mit einem eigenen Programmablauf versehen werden kann. Hier wären sonst umfangreiche Tests nötig, die meist ein tiefes Verständnis der komplexen Funktionalität der Module erfordern würden, wie sie nur der Hersteller besitzt. In gleicher Weise verhindert das Fehlen von Verstellmöglichkeiten, wie Potentiometer oder Knöpfe, eine Fehlbedienung vor Ort. Vom Hersteller vorgesehene Einstellungen am Modul per Software, einmalig beim ersten Setup oder dynamisch via Programmsteuerung von den Rechnern der Leitwarte, erlauben eine Anpassung an alle gängigen Anwendungen. Zusätzlich versorgen solche Module die Mess-Sensoren mit Spannung, sofern nötig, und stellen zum Auslesen mehrere Leitungen bereit, zum Beispiel für 4-Draht-Messungen von Widerständen.
Messgrößen wie Temperatur oder Druck können kompliziertere Funktionen der Sensorsignale sein, sodass die Messwandler eine Linearisierung durchführen und direkt den Wert der physikalischen Messgröße ausgeben. Aufgrund der Vielzahl von Messgrößen ist ein universell einsetzbarer Wandler von Vorteil.

Beliebige Kennlinien abbildbar
Ein Beispiel der beschriebenen Module ist die Tracker-300-Serie von DataTrack Process Instruments (Vertrieb: CompuMess Elektronik). In einer typischen Anwendung wird der Widerstand eines Platin-Pt100-Widerstandsthermometers (100 Ohm bei 0°C) herstellerübergreifend gemäß EN 60751 mit Polynomen angenähert. Die passenden Koeffizienten sind für alle gängigen Temperatur-Sensoren in der DataTrack-Wandlerserie T300 gespeichert, der gewünschte Typ des Sensors wird im Modul per Software ausgewählt, sodass eine automatisierte Linearisierung ohne Nutzeraufwand erfolgt. Damit werden Messungen bis zur Genauigkeitsklasse des Sensors möglich. Für noch höhere Genauigkeiten oder spezielle Anwendungen, zum Beispiel der Füllstands-Überwachung durch Druckmessung in einem unregelmäßig geformten Tank, sind beliebige Kennlinien nötig. Dazu kann der Messwandler eine weitere stromausfallsicher im Modul eingespeicherte Kalibrierung mit einem Polygonzug (18 Stützpunkte) anwenden.
Da das universell einsetzbare T300-Modul für alle Anwendungen softwareseitig konfiguriert wird, ist die Montage in einer Anlage einfach. Etwaige Änderungen und Erweiterungen können auch nachträglich per Softwarebefehl oder dem Setzen von Schwellwerten vorgenommen werden.

Auch für größere Anlagen geeignet
Bei der Wahl einer robusten RS485-Schnittstelle für die Module werden für größere Anlagen 1,2 Kilometer mit zwei Adern eines preiswerten Telefonkabels überbrückt. Bis zu 32 Module lassen sich nach dem RS485-Bus-Standard anschließen und adressieren. Meist dient das industriegenormte Modbus-Protokoll als Transportschicht. Alle gängigen Messdatenerfassungssysteme unterstützen diese Softwareschnittstelle. Da gerade Leitrechner oder Leitungen Störungen verursachen können, ist für die Anlagensicherheit ein autonomes System hilfreich. Jedes Modul arbeitet autark. So lässt sich mit einem Tracker-300 ein Behälter über einen Temperatursensor und Heiz- und Kühlschleifen mit einer internen PID-Regelung auf einer konstanten Temperatur halten, ohne dass ein Steuerrechner benötigt wird. Auch Alarmsignale bei Über- oder Unterschreitung von Schwellwerten und Hysterese sind ausfallsicher direkt auf Modulebene möglich.
Die digitalen Messwerte sind bei der Tracker-300-Serie auf 20 Bit plus Vorzeichen genau; intern sogar auf 24 Bit und können von einem Steuerrechner abgefragt werden. Optional sind Anzeigemodule zum Einbau, sogenannte Panelmeter, lieferbar. Die typischen Reaktionszeiten auf Ereignisse bei Datenraten von 7 bis 15 Hz reichen für die meisten Anwendungen wie Temperatur- und Füllstands-Überwachung, Waagen, Abstandsmessungen oder der Auslese von Zählern aus.

Zusammenspiel vieler Module
Gerade für größere Anlagen, zum Beispiel in der Chemieindustrie lässt sich solch ein System im Zusammenspiel vieler Module erweitern. So ist eine Touchscreen-HMI-Schnittstelle und eine Scada-Software wie Procyon von DataTrack hilfreich, um Anlagenzustände hierarchisch darzustellen und die Datenerfassung und Steuerung zu vereinfachen. Beim Zoomen in das Schaubild einer Anlage werden mehr Details des Systemzustands sichtbar, bis die einzelnen Komponenten bei Berechtigung überwacht und gesteuert werden können. Dies kann auch an entfernten Standorten über ein Webinterface erfolgen. Die einzelnen, autarken Tracker-Module können abgefragt und Steueranweisungen an diese gesendet werden.
Skalierbare, universelle Messmodule vereinfachen heute das Auslesen von Messdaten in hoher Genauigkeit vom Labor bis zur Großanlage. Distributoren wie die CompuMess Elektronik geben Tipps zum effektiven Einsatz der Messwandler in einem konkreten Anwendungsumfeld.