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Strom oder Spannung?

Bei einem analogen Ausgang kann der Anwender in der Regel zwischen Strom- oder Spannungsausgang wählen. Je nach Wahl wird die Messgröße, wie z.B. Position, als kontinuierlich verlaufendes Strom- oder Spannungssignal an die Steuerung übertragen. Bei einem R-Serie V-Sensor mit analogem Ausgang wird dazu die Messlänge auf einen Bereich von z.B. 0…20 mA bzw. 4…20 mA oder 0…10 V bzw. –10…+10 V abgebildet. Die wesentlichen Eigenschaften von Strom- und Spannungssignal sind:

• Spannungssignal lässt sich einfach messen
• Zur Messung des Stromsignals muss der Stromkreis aufgetrennt werden
• Spannungssignal wird über längere Strecken aufgrund des Drahtwiderstands abgeschwächt
• Stromsignal wird in der Regel über größere Entfernungen nicht schwächer
• Stromsignal ist unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen
• Bei Stromsignal von 4…20 mA führt defekter Draht zu Stromfluss von 0 mA, so lassen sich Kabelfehler schnell erkennen

Analog oder digital?

Bei einem Sensor wie der R-Serie V Analog wird in den technischen Daten eine Auflösung von 16 bit angegeben. Wieso wird bei einem analogen Ausgang ein digitaler Wert für die Auflösung angegeben? Bei der R-Serie V Analog liegt der Messwert als Ergebnis der Positionsermittlung innerhalb des Sensors in digitaler Form mit einer Auflösung von 0,1 µm vor. Dieser digitale Wert wird für die analoge Ausgabe mit einem Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) in ein Strom- oder Spannungssignal umgewandelt. Der bei der R-Serie V Analog verwendete D/A-Wandler hat eine Auflösung von 16 bit. Das bedeutet, dass der Wandler 2¹⁶ = 65.535 verschiedene Abstufungen abbilden kann. Die Messlänge des Sensors wird daher in 65.535 gleichmäßige Schritte aufgeteilt. Dies ist in Abb. 1 schematisch für zwei Sensoren mit unterschiedlicher Messlänge dargestellt. In diesem Beispiel wird die Messlänge der beiden Sensoren mit einer Auflösung von 3 bit = 2³ = 8 Schritten abgebildet.

Abb. 1: Abhängigkeit der Schrittweite von der Messlänge bei einer Auflösung von 3 bit

In Tabelle 1 ist die Schrittweite in Abhängigkeit der Messlänge bei einem 16 bit-D/A-Wandler aufgelistet (die Messlänge wird gleichmäßig auf die verfügbaren 65.535 Schritte verteilt):

Tabelle 1: Schrittweite in Abhängigkeit der Messlänge bei einem 16 bit- D/A W-Wandler

Die Schrittweite nimmt also mit steigender Messlänge zu. Andersherum bedeutet das, dass je kleiner die Messlänge, desto kleiner die Schrittweite ist. Und je kleiner die Schrittweite, desto feinere Positionsänderungen werden registriert.

Aus den gleichmäßig über die Messlänge verteilten Schritten wird ein analoges Signal erzeugt. In Abb. 2 ist dies für ein Spannungssignal von 0…10 V bei einer Auflösung von 3 bit (= 8 Schritte) dargestellt. In diesem Beispiel sorgt jeder Schritt für eine Spannungsänderung von 1,25 V. Bei der R-Serie V Analog mit einer Auflösung von 16 bit sorgt ein Schritt bei einem Spannungssignal von 0…10 V für eine Änderung der Spannung von (10 V / 65.536 Schritte) = 152 µV. Dies gilt in gleicher Weise für den Stromausgang. So werden z.B. bei dem Stromausgang von 4…20 mA die verfügbaren 16 mA auf die 65.535 Schritte aufgeteilt. Somit sorgt ein Schritt für eine Stromänderung von (16 mA / 65.535 Schritte) = 244 nA.

Abb. 2: Umwandlung in ein analoges Signal am Beispiel eines Spannungssignals von 0...10 V

Das bedeutet, dass das Messgerät oder die Steuerung unabhängig von der Messlänge des Sensors im Bereich von nA bzw. µV auflösen muss, um die gemessenen Positionsänderungen zu registrieren.

Geschwindigkeit ohne oder mit Messrichtung bzw. Speed oder Velocity?

Bei der R-Serie V Analog kann wie bei der R-Serie 2004 Analog neben der Position auch die Geschwindigkeit, mit der sich der Positionsmagnet bewegt, über einen weiteren Kanal ausgegeben werden. Dabei kann der Anwender zwischen „Geschwindigkeit ohne Messrichtung“ (engl. Speed) und „Geschwindigkeit mit Messrichtung“ (engl. Velocity) wählen. Bei der Geschwindigkeit ohne Messrichtung wird unabhängig von der Messrichtung ein absoluter Wert für die ermittelte Bewegungsgeschwindigkeit des Positionsmagneten ausgegeben. Bei der Geschwindigkeit mit Messrichtung wird über den Analogwert ausgegeben, in welche Richtung sich der Positionsmagnet bewegt, also ob er vorwärts oder rückwärts bewegt wird.

Analog oder Industrial Ethernet?

Wie bereits erwähnt, kann der analoge Ausgang als traditionelle Signalart bezeichnet werden, weil diese Art der Signalübertragung bereits sehr lange im industriellen Umfeld verwendet wird. Neben dem analogen Ausgang haben sich auch Industrial Ethernet-Schnittstellen wie EtherCAT^®, EtherNet/IP™, POWERLINK oder PROFINET etabliert. In Tabelle 2 sind die wesentlichen Unterschiede zwischen der analogen Signalübertragung und den Industrial Ethernet-Schnittstellen gegenübergestellt.

Anhand Tabelle 2 wird deutlich, dass Industrial Ethernet- Schnittstellen im Vergleich zu einem Analogausgang mehr leisten können (Übertragung mehrerer Informationen gleichzeitig, bidirektionale Kommunikation zwischen Sensor und Steuerung z.B. zum Parameterabgleich, synchrone Messung für Motion-Control- Anwendungen, Unterstützung unterschiedlicher Topologien für flexiblen Aufbau). Dadurch sind diese Schnittstellen deutlich komplexer, als eine analoge Signalübertragung, was auch die Installation und Überprüfung betrifft.

Es gibt viele Anwendungen, bei denen die analoge Signalübertragung sehr gut geeignet ist und ihre Vorteile gegenüber Industrial Ethernet- Schnittstellen einbringen kann, wie z.B. bei Schiffsschleusen. Schleusenanlagen für Gütermotorschiffe sind in der Regel größer als 100 m, weshalb dabei häufig die analoge Signalübertragung eingesetzt wird. Zudem genügt eine Genauigkeit z.B. beim Bewegen von Schleusentoren im Millimeterbereich, so dass der Vorteil genutzt werden kann, das übertragene Signal vor Ort auf einfache Weise mit einem Multimeter überprüfen.

Tabelle 2: Gegenüberstellung wesentlicher Eigenschaften der analogen Signalübertragung und Industrial Ethernet-Schnittstellen

Altmodisch oder zeitgemäß?

Die Frage nach der geeigneten Übertragungsart hängt von der Anwendung und vom Einsatzumfeld ab. Sowohl die analoge Signalübertragung als auch Industrial Ethernet-Schnittstellen (ebenso wie eine Datenübertragung via SSI) haben sich im industriellen Umfeld bewährt und etabliert. Im Vorfeld muss der Anwender klären, welche Übertragungsart für seine Anwendung geeignet ist, damit er die für seine Anwendung geeignete Wahl treffen kann.

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