Hohe Systemkomplexität
Bild 2: Wegaufnehmer (Quelle: AB Joedden)
Betrachtet man dagegen die Diagnose der physikalischen Schicht eines Feldbussystems, bekommt man eine große Menge elektrischer Messwerte und Übertragungsdaten, die aufwendig analysiert werden wollen. Mit digitalen Technologien wird die gesamte Systemkomplexibilität deutlich zunehmen. Diese Betrachtung wirft die Frage auf, ob Feldgeräte, die in autonome dezentrale Regelkreise eingebunden werden und komplexe Wartungs- und Diagnosedaten austauschen, ohne digitale Kommunikation denkbar sind. Die Bauelementekosten bei analoger Messwertverarbeitung und die Kalibrierung der Systeme sind heute schon höher als die Kosten leistungsstarker Mikrocontroller, die nicht nur digital übertragen, sondern Plattform für die Implementierung interessanter, neuer Ideen bieten. In der Wegmesstechnik werden seit vielen Jahren induktive Wegaufnehmer eingesetzt (Bild 1). Die zukünftigen Sensoren werden die Vorteile der digitalen Signalverarbeitung mit der robusten analogen Signalübertragung verbinden. Das führt dazu, dass bei induktiven Wegaufnehmern der Weg analog erfasst, das proportionale Signal analog digital gewandelt, digital verarbeitet und anschließend wieder als analoges Normsignal ausgegeben wird. Die Technik dieser Sensoren basiert auf dem Prinzip der Differenzialdrossel. Innerhalb eines Spulenkörpers wird ein „NiFe“-Kern axial bewegt (Bild 2). Die jeweilige Position des Kerns bewirkt eine entsprechende Induktivitätsverteilung in den beiden Spulenhälften, die durch eine externe oder integrierte Elektronik in ein wegproportionales, analoges Signal umgewandelt wird (Bild 3). Diese einfache Art der absoluten Wegerfassung ermöglicht einen robusten, zuverlässigen Aufbau des Sensorelements.
Programmierbare Wegaufnehmer
Der Einsatz induktiver Wegaufnehmer in Kraftwerken, zur Positionsrückmeldung an Ventilen, führte zur Entwicklung der programmierbaren Wegaufnehmer mit einem Normsignalausgang von 4 mA bis 20 mA. Die vorhandene Infrastruktur der analogen Signalübertragungswege im Kraftwerk kann ausgenutzt werden. Die Montage der Wegaufnehmer erfolgt parallel am Zylinder des Ventils. Der Stößel des Wegaufnehmers wird mit einem Kugelgelenk an der Kolbenstange befestigt.
Die Justage auf den aktuellen Weg des Ventils erfolgt elektronisch. Dazu wird das Ventil hydraulisch in die „Zu“-Position gefahren. Am Wegaufnehmer sind neben den Anschlüssen für die Betriebsspannung und dem Ausgangssignal zwei zusätzliche Anschlüsse „Anfang“ und „Ende“ vorhanden. Um das Ausgangssignal des Wegaufnehmers auf 4 mA zu justieren, wird der Kontakt „Anfang“ für circa 3 s mit der Betriebsspannung verbunden. Analog dazu wird der Endwert mit dem Kontakt „Ende“ (20 mA) bei geöffnetem Ventil justiert. Diese elektronische Justierung bietet einen Zeitvorteil gegenüber der rein analogen Justierung mit Justierpotenziometern. Die Inbetriebnahmephase der Ventile im Kraftwerk wurde damit verkürzt. Der analoge Messwert des induktiven Wegaufnehmers der Serien SM41/43 wird mit dem 16-bit-A/D-Wandler digitalisiert und in einem Mikrocontroller verarbeitet. Die Korrektur der Messwerte – erreichbar sind Genauigkeiten bis 0,1 % vom Messbereich – erfolgt mit den in einem EEPROM abgelegten Genauigkeitsabweichungen. Die digitale Information wird mit einem 16-bit-D/A-Wandler in normierte Ausgangssignale 0(4) mA bis 20 mA oder DC 0 V bis 10 V umgeformt. Die Wegaufnehmer werden mit einer Betriebsspannung zwischen DC 9 V und 32 V versorgt.