Elektronische Transmitter, Wheatstone-Brücken und Regelungskonfigurationen in der Prozessautomatisierung

Grundlagen der Mess- und Regelungstechnik

Elektronische Transmitter: Das Gleichgewicht der Kräfte

Elektronische Transmitter basieren auf dem Prinzip des Kraftgleichgewichts. Sie bestehen aus einem starren Balken, der an einer Stelle gelagert ist, an der zwei Kräfte im Gleichgewicht gehalten werden:

• Die Kraft, die durch das mechanische Messelement ausgeübt wird.
• Die elektromagnetische Kraft einer magnetischen Einheit.

Das Ungleichgewicht zwischen diesen beiden Kräften führt zu einer Veränderung der relativen Position des Balkens, was die Bewegung eines Wegaufnehmers, wie z. B. eines Differentialdetektors, auslöst. Ein Induktor oder Transformator speist eine angeschlossene Oszillatorschaltung, welche die von der magnetischen Einheit erzeugte Kraft steuert und so die Neupositionierung des Balkens und das erneute Gleichgewicht der Kräfte bewirkt. Dies ergänzt den Rückkopplungskreislauf (Feedback), der die Stromvariation im Verhältnis zum Bereich der Prozessvariablen steuert.

Wheatstone-Brücke mit diffundiertem Silizium-Halbleiter

Diese Technologie nutzt die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern, wenn diese mechanischer Beanspruchung (Druck) ausgesetzt werden. Das Diffusionsmodell verwendet Silizium-Halbleiter. Ein Silizium-Chip verhält sich wie eine dynamische Wheatstone-Brückenschaltung und wird zur Messung von Druck, Differenzdruck und Füllstand eingesetzt. Der Chip besteht aus einem Silizium-Substrat, in dem die Widerstände (R_a, R_b, R_c und R_d) einer Wheatstone-Brücke diffundiert sind. Das durch Druckveränderungen verursachte Ungleichgewicht der Brücke resultiert in einem standardisierten Ausgangssignal von 4–20 mA DC.

Grundlagen Elektronischer Operationsverstärker (Op-Amps)

Elektronische Verstärker basieren häufig auf Operationsverstärkern (Op-Amps). Der Operationsverstärker verfügt über zwei Eingänge (invertierend (-) und nicht-invertierend (+)) und einen Ausgang. Der Ausgang hängt von der spezifischen Verschaltung der Eingänge ab.

Konfiguration als invertierender Verstärker

Bei der Verwendung als invertierender Verstärker ist der Eingang über einen Widerstand R1 mit dem invertierenden Anschluss verbunden. Der nicht-invertierende Anschluss ist mit Masse verbunden. Ein Widerstand R2 bietet einen Rückkopplungspfad vom Ausgang zum invertierenden Anschluss.

Split-Range-Steuerung (Bereichsaufteilung)

Die Split-Range-Steuerung ist eine grundlegende Regelungskonfiguration, bei der das Ausgangssignal des Reglers an zwei oder mehr Stellglieder gesendet wird, sodass nur eines davon aktiv zur Steuerung der Prozessvariablen beiträgt. Die anderen Ventile verbleiben in einer festen Position, bis der Reglerausgang einen Wert erreicht, der in ihren jeweiligen Aktionsbereich fällt.

Gegenläufige Ventile (Opposition)

Bei dieser Konfiguration wirken die Stellglieder gleichzeitig, um das Regelziel zu erreichen. Dies steht im Gegensatz zur Split-Range-Steuerung, bei der die Stellglieder nacheinander (sequenziell) agieren.