Signalkonditionierer: Grundlage für die moderne Signalverarbeitung

Ein Signalkonditionierer ist ein elektronisches Gerät, das Signale aus Sensoren oder Messwertgebern aufbereitet, um sie für die Weiterverarbeitung in Mess-, Steuerungs- und Regelungssystemen nutzbar zu machen. Die Hauptaufgabe eines Signalkonditionierers besteht darin, das Rohsignal in ein standardisiertes Signal umzuwandeln, das für nachfolgende Systeme wie Analog-Digital-Wandler (ADC), Mikrocontroller oder SPS-Systeme optimal geeignet ist. Dabei können verschiedene Funktionen wie Verstärkung, Filterung, Linearisierung, Isolation oder Normierung zum Einsatz kommen.

Die Signalkonditionierung ist ein fundamentaler Prozess in der Messtechnik und industriellen Automation. Ohne eine angemessene Signalaufbereitung können selbst hochpräzise Sensoren keine zuverlässigen Messwerte liefern. Der Signalkonditionierer fungiert somit als entscheidendes Bindeglied zwischen der physikalischen Messgröße und der digitalen Verarbeitung.

Grundfunktionen von Signalkonditionierern

Signalkonditionierer übernehmen je nach Anwendungsfall verschiedene Aufgaben, um das Sensorsignal optimal aufzubereiten. Zu den wichtigsten Funktionen gehören:

Verstärkung und Abschwächung

Viele Sensoren liefern sehr kleine Spannungen oder Ströme, die für eine direkte Verarbeitung zu schwach sind. Ein Beispiel hierfür sind Thermoelemente, die typischerweise nur wenige Millivolt pro Grad Temperaturänderung erzeugen. Signalkonditionierer verstärken diese schwachen Signale auf standardisierte Pegel wie 0-10V oder 4-20mA.

Umgekehrt können zu starke Signale abgeschwächt werden, um eine Übersteuerung nachfolgender Komponenten zu vermeiden. Diese Pegelanpassung sorgt dafür, dass der gesamte Messbereich optimal ausgenutzt wird und eine hohe Auflösung bei der Digitalisierung erreicht werden kann.

Filterung

In industriellen Umgebungen sind Messsignale häufig von Störungen überlagert. Diese können durch elektromagnetische Einstreuungen, Netzbrummen (50/60 Hz), mechanische Vibrationen oder andere Umgebungseinflüsse verursacht werden. Signalkonditionierer enthalten daher Filter, die unerwünschte Frequenzanteile aus dem Signal entfernen.

Typische Filtertypen sind:

Tiefpassfilter: Unterdrücken hochfrequente Störungen
Hochpassfilter: Entfernen niederfrequente Störungen wie Drift
Bandpassfilter: Lassen nur einen bestimmten Frequenzbereich durch
Kerbfilter (Notch-Filter): Unterdrücken gezielt einzelne Störfrequenzen, z.B. 50 Hz Netzbrummen

Die richtige Filterung ist entscheidend, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erreichen und aussagekräftige Messergebnisse zu erhalten.

Galvanische Trennung

In vielen Anwendungen ist es notwendig, den Messkreis vom Auswertesystem galvanisch zu trennen. Dies dient dem Schutz vor Überspannungen, verhindert Masseschleifen und reduziert Störeinkopplungen. Zudem können so Potentialunterschiede zwischen verschiedenen Systemteilen überbrückt werden.

Die galvanische Trennung kann durch verschiedene Technologien realisiert werden:

Optokoppler: Übertragung mittels Licht
Transformatoren: Magnetische Übertragung
Kapazitive Koppler: Übertragung durch elektrische Felder

Besonders in Hochspannungsanwendungen, medizinischen Geräten oder bei Messungen an unterschiedlichen Potentialen ist die galvanische Trennung unverzichtbar für die Betriebssicherheit und Messgenauigkeit.

Linearisierung

Viele Sensoren weisen ein nichtlineares Übertragungsverhalten auf, d.h. die Ausgangsgröße steht nicht in einem linearen Verhältnis zur gemessenen physikalischen Größe. Ein bekanntes Beispiel hierfür sind Thermoelemente, deren Spannungs-Temperatur-Kennlinie stark nichtlinear verläuft.

Signalkonditionierer können diese nichtlinearen Kennlinien kompensieren und ein linearisiertes Ausgangssignal erzeugen. Dies vereinfacht die weitere Verarbeitung erheblich, da keine komplexen Berechnungen mehr notwendig sind, um vom gemessenen Signal auf die eigentliche Messgröße zu schließen.

Die Linearisierung kann analog durch spezielle Schaltungen oder digital durch programmierte Kennlinien und Lookup-Tabellen erfolgen.

Normierung

Für die Weiterverarbeitung in Automatisierungssystemen ist es vorteilhaft, wenn alle Signale auf einheitliche Standardbereiche normiert werden. Übliche Normsignale sind:

Spannungssignale: 0-10V, ±10V, 0-5V
Stromsignale: 4-20mA, 0-20mA
Digitale Signale: 0-5V (TTL), 0-24V (Industriestandard)

Die Normierung vereinfacht die Systemintegration und erlaubt den Einsatz standardisierter Eingangsmodule in SPS- oder DCS-Systemen.

Arten von Signalen und passende Konditionierer

Je nach Sensortyp und Messgröße fallen unterschiedliche Signalarten an, die jeweils spezifische Konditionierungsmaßnahmen erfordern. Im Folgenden werden die wichtigsten Signaltypen und ihre Aufbereitung beschrieben.

Widerstandsbasierte Sensoren

Sensoren wie Pt100/Pt1000 Temperatursensoren, Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Fotowiderstände basieren auf einer Widerstandsänderung proportional zur Messgröße.

Für ihre Konditionierung sind folgende Schritte notwendig:

Speisung mit konstantem Strom oder konstanter Spannung
Umwandlung der Widerstandsänderung in eine Spannungsänderung (meist durch Messbrücken)
Verstärkung des Spannungssignals
Kompensation von Leitungswiderständen (besonders bei 2-Leiter-Schaltungen)

Bei DMS-Anwendungen werden oft Vollbrücken verwendet, um Temperatureinflüsse zu kompensieren und die Empfindlichkeit zu erhöhen. Die Ausgangsspannung ist proportional zur mechanischen Verformung und damit zur gemessenen Kraft oder zum Druck.

Thermoelemente

Thermoelemente erzeugen eine temperaturabhängige Thermospannung durch den Seebeck-Effekt. Die Signalkonditionierung für Thermoelemente umfasst:

Hochohmige Verstärkung der geringen Spannungen (typisch 10-50 μV/°C)
Kaltstellenkompensation zur Korrektur der Referenztemperatur
Linearisierung der nichtlinearen Kennlinie
Filterung von Störspannungen

Besonders die Kaltstellenkompensation ist kritisch für präzise Temperaturmessungen. Hierbei wird die Temperatur am Anschlusspunkt des Thermoelements gemessen und bei der Signalverarbeitung berücksichtigt.

Induktive und kapazitive Sensoren

Diese Sensoren arbeiten mit veränderlichen Induktivitäten oder Kapazitäten, die in Abhängigkeit von Position, Druck oder anderen physikalischen Größen variieren. Ihre Signalkonditionierung erfordert:

Speisung mit Wechselspannung bestimmter Frequenz
Umwandlung der Impedanzänderung in ein Spannungs- oder Stromsignal
Demodulation des Wechselspannungssignals in ein Gleichspannungssignal
Filterung und Verstärkung

Die Signalaufbereitung für induktive und kapazitive Sensoren ist vergleichsweise komplex, bietet aber Vorteile in Bezug auf Robustheit und Genauigkeit, besonders in rauen industriellen Umgebungen.

Stromschleifensignale (4-20mA)

Die 4-20mA Stromschleife ist ein weitverbreiteter Industriestandard für die Signalübertragung. Der Vorteil liegt in der hohen Störfestigkeit und der Möglichkeit, den Sensor über die gleiche Leitung mit Energie zu versorgen. Die Signalkonditionierung umfasst:

Umwandlung des Stroms in eine Spannung mittels Präzisionswiderstand
Verstärkung und Skalierung auf den gewünschten Messbereich
Optionale galvanische Trennung
Erkennung von Leitungsbrüchen (Strom < 4mA) oder Kurzschlüssen

Die 4-20mA Technik bietet außerdem eine inhärente Diagnosefunktion: Ein Strom von 0mA weist auf einen Leitungsbruch oder Sensorausfall hin, während ein Strom unter 4mA oder über 20mA auf außerhalb des Messbereichs liegende Werte hindeutet.

Technische Spezifikationen und Leistungsmerkmale

Bei der Auswahl eines Signalkonditionierers sind verschiedene technische Parameter zu berücksichtigen, die die Leistungsfähigkeit und Eignung für die jeweilige Anwendung bestimmen.

Genauigkeit und Fehlerquellen

Die Gesamtgenauigkeit eines Messsystems wird maßgeblich durch den Signalkonditionierer beeinflusst. Wichtige Fehlerquellen und ihre typischen Werte sind:


Fehlerquelle	Typische Werte	Anmerkungen
Offset-Fehler	0,01% – 0,5% vom Endwert	Konstante Abweichung über den gesamten Messbereich
Verstärkungsfehler	0,02% – 1% vom Messwert	Proportionale Abweichung mit der Signalgröße
Nichtlinearität	0,01% – 0,2% vom Endwert	Abweichung von der idealen Übertragungskennlinie
Temperaturkoeffizient	10 – 100 ppm/°C	Änderung der Charakteristik mit der Temperatur
Langzeitdrift	0,05% – 0,5% pro Jahr	Alterungsbedingte Parameteränderungen

Die Spezifikationen werden üblicherweise für bestimmte Betriebsbedingungen angegeben, etwa für einen Temperaturbereich von 20°C ± 5°C. Bei Betrieb außerhalb dieser Bedingungen müssen zusätzliche Fehler berücksichtigt werden.

Dynamisches Verhalten

Für schnell veränderliche Signale ist das dynamische Verhalten des Signalkonditionierers entscheidend:

Bandbreite: Definiert den Frequenzbereich, in dem das Signal ohne wesentliche Dämpfung übertragen wird
Anstiegszeit: Zeit, die das Ausgangssignal benötigt, um von 10% auf 90% des Endwerts zu steigen
Einschwingzeit: Zeit bis zur stabilen Anzeige nach einer sprunghaften Signaländerung
Abtastrate: Bei digitalen Systemen die Anzahl der Messungen pro Sekunde

Je nach Anwendung können Bandbreiten von wenigen Hertz (z.B. für langsame Temperaturmessungen) bis zu mehreren Megahertz (z.B. für Vibrationsanalysen) erforderlich sein.

Rauschverhalten und Auflösung

Ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist das Rauschverhalten, das die kleinste noch zuverlässig messbare Signaländerung bestimmt:

Rauschspannung: Typisch 0,1 – 10 µV bei niedrigen Frequenzen
Signal-Rausch-Verhältnis (SNR): Sollte mindestens 60 dB betragen
Effektive Anzahl von Bits (ENOB): Tatsächliche Auflösung unter Berücksichtigung des Rauschens

Die theoretische Auflösung kann durch Rauschen praktisch eingeschränkt sein. So kann ein 16-Bit-ADC durch Rauschen effektiv nur 12-14 Bit nutzbare Auflösung liefern.

Umgebungsbedingungen und Robustheit

Industrielle Signalkonditionierer müssen oft unter widrigen Bedingungen zuverlässig arbeiten:

Betriebstemperaturbereich: Typisch -20°C bis +70°C
Luftfeuchtigkeit: Meist bis 95% nicht kondensierend
EMV-Festigkeit: Immunität gegen elektromagnetische Störungen
Schutzart: IP20 für Schaltschrankmontage, IP65 oder höher für Feldeinsatz
MTBF (Mean Time Between Failures): Typisch >100.000 Stunden

Für spezielle Anwendungen wie in Ex-Bereichen gelten zusätzliche Anforderungen an die Eigensicherheit und Zertifizierungen.

Bauformen und Integration

Signalkonditionierer sind in verschiedenen Bauformen erhältlich, die sich für unterschiedliche Einbausituationen und Anwendungsfälle eignen.

Einbaugeräte und Kopfmontage

Bei der Kopfmontage wird der Signalkonditionierer direkt im Anschlusskopf des Sensors integriert. Diese Bauform bietet mehrere Vorteile:

Kurze Signalwege reduzieren Störeinflüsse
Standardisierte Anschlusskopfgehäuse nach DIN 43729
Direkte Umwandlung in ein störungsarmes 4-20mA Signal
Keine zusätzlichen Einbauplätze im Schaltschrank erforderlich

Kopfmontierte Signalkonditionierer sind besonders für Temperaturmessungen mit Thermoelementen oder Widerstandsthermometern verbreitet.

Hutschienengeräte

Die Montage auf Hutschienen (DIN-Schienen) ist der Standard für Schaltschrankanwendungen:

Einfache Montage und Demontage ohne Werkzeug
Kompakte Bauweise mit typischen Breiten von 6mm bis 22,5mm
Gute Zugänglichkeit der Anschlüsse und Bedienelemente
Möglichkeit zur Reihenmontage vieler Kanäle

Moderne Hutschienengeräte bieten oft zusätzliche Funktionen wie Statusanzeigen, Konfigurationsmöglichkeiten über DIP-Schalter oder digitale Schnittstellen für die Parametrierung.

Modulare Systeme

Für größere Installationen werden modulare Systeme eingesetzt:

Basisträger mit Backplane für mehrere Einschubmodule
Zentrale Spannungsversorgung und gemeinsame Kommunikationsschnittstelle
Verschiedene Modultypen für unterschiedliche Sensorarten
Hot-Swap-Fähigkeit für Austausch während des Betriebs

Diese Systeme sind besonders in der Prozessautomatisierung verbreitet und können durch ihre Modularität flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden.

Integration in Automatisierungssysteme

Moderne Signalkonditionierer verfügen zunehmend über digitale Kommunikationsschnittstellen für die nahtlose Integration in Automatisierungssysteme:

HART-Protokoll für die Überlagerung digitaler Informationen auf 4-20mA Signale
Feldbusse wie PROFIBUS, FOUNDATION Fieldbus oder DeviceNet
Ethernet-basierte Protokolle wie PROFINET, EtherCAT oder Modbus TCP

Dadurch können nicht nur Messwerte, sondern auch Diagnose- und Statusinformationen übertragen werden. Die digitale Integration ermöglicht zudem die Fernkonfiguration und Überwachung der Signalkonditionierer.

Anwendungsbeispiele

Signalkonditionierer kommen in zahlreichen Branchen und Anwendungsfeldern zum Einsatz. Die folgenden Beispiele veranschaulichen ihre Vielseitigkeit.

Industrielle Prozessautomatisierung

In der Prozessindustrie sind Signalkonditionierer unverzichtbar für die präzise Erfassung von Prozessparametern:

Temperaturmessung in Reaktoren mit Thermoelementen unter Berücksichtigung von Explosionsschutzanforderungen
Druckmessung in Rohrleitungen mit Überspannungsschutz und HART-Kommunikation
Durchflussmessung mit galvanischer Trennung und Linearisierung
Füllstandsmessung mit Signalumformung und Grenzwertüberwachung

Nach Studien des VDI/VDE-GMA (Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik) führt der Einsatz moderner Signalkonditionierung zu einer Reduzierung von Messfehlern um bis zu 70% gegenüber Systemen ohne optimierte Signalaufbereitung.

Labormesstechnik und Forschung

In Laboranwendungen und der Forschung stehen höchste Präzision und Flexibilität im Vordergrund:

Verstärkung kleinster Signale von Sensoren in der Materialprüfung
Filterung von Biosignalen in der medizinischen Forschung
Präzise Temperaturüberwachung in Klimakammern
Signalkonditionierung für hochgenaue Waagen und Kraftmesssysteme

Die Anforderungen an die Signalkonditionierung in diesem Bereich sind besonders hoch, da die Messwerte oft die Grundlage für wissenschaftliche Erkenntnisse bilden.

Energieerzeugung und -verteilung

Im Energiesektor spielen Signalkonditionierer eine wichtige Rolle für die betriebssichere Überwachung:

Isolierte Spannungs- und Strommessung in Hochspannungsanlagen
Temperaturüberwachung in Transformatoren mit Alarmmeldung
Leistungsmessung mit hoher Genauigkeit für Energiemanagement
Fernüberwachung von Windkraft- und Solaranlagen

Die galvanische Trennung ist hier besonders wichtig, um Personen- und Geräteschutz zu gewährleisten. Zudem müssen die Signalkonditionierer oft extremen Umgebungsbedingungen standhalten.

Branche	Typische Sensoren	Spezifische Anforderungen	Häufige Funktionen
Chemische Industrie	Thermoelemente, pH-Sensoren, Drucktransmitter	Ex-Schutz, Korrosionsbeständigkeit, Redundanz	Galvanische Trennung, Linearisierung, HART-Protokoll
Automobilindustrie	DMS, Beschleunigungssensoren, Thermistoren	Hohe Abtastrate, EMV-Festigkeit, Vibrationsbeständigkeit	Filterung, Brückenverstärker, Hochgeschwindigkeits-ADC
Medizintechnik	Biosensoren, Drucksensoren, Ultraschallwandler	Patientensicherheit, hohe Genauigkeit, Zertifizierung	Medizinische Isolation, Rauschunterdrückung, Alarme
Lebensmittelindustrie	Pt100, Feuchtigkeitssensoren, Durchflussmesser	Hygienische Gestaltung, CIP-Beständigkeit, Rückverfolgbarkeit	Normierung, Diagnose, Langzeitstabilität
Aerospace	Thermoelemente, Positionssensoren, Dehnungsmessstreifen	Zuverlässigkeit, extreme Temperaturen, Gewicht/Größe	Redundanz, Selbsttest, Kaltstellenkompensation

Medizintechnik

In der Medizintechnik werden besonders hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit gestellt:

Signalaufbereitung für EKG- und EEG-Messungen mit hoher Störunterdrückung
Galvanische Trennung für Patientensicherheit gemäß IEC 60601
Präzise Druckmessung in Beatmungsgeräten
Temperaturüberwachung in medizinischen Geräten und Laborautomaten

Bei der Signalkonditionierung für medizinische Zwecke steht der Schutz der Patienten im Vordergrund. Die galvanische Trennung muss besonders hohen Anforderungen genügen, um auch bei Fehlfunktionen die Sicherheit zu gewährleisten.

Trends und Entwicklungen

Die Technologie der Signalkonditionierung entwickelt sich kontinuierlich weiter, getrieben durch neue Anforderungen und technologische Möglichkeiten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert im Rahmen der Industrie 4.0-Initiative zahlreiche Forschungsprojekte zur Weiterentwicklung intelligenter Sensorik und Signalverarbeitung.

Miniaturisierung und Integration

Ein klarer Trend ist die zunehmende Miniaturisierung und Integration:

Mehrkanalsysteme auf kleinstem Raum
Integration von Signalkonditionierung direkt in Sensoren (Smart Sensors)
System-on-Chip (SoC) Lösungen mit analoger und digitaler Signalverarbeitung
Reduzierte Leistungsaufnahme für batteriebetriebene Anwendungen

Durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie können immer mehr Funktionen auf kleinstem Raum realisiert werden, was zu kompakteren und kostengünstigeren Lösungen führt.

Digitalisierung und IoT-Integration

Die Digitalisierung verändert auch die Signalkonditionierung grundlegend:

Direkte Anbindung an Internet of Things (IoT) Plattformen
Drahtlose Datenübertragung mit integrierten Funkmodulen
Cloud-basierte Konfiguration und Überwachung
Automatische Kalibrierung und Selbstdiagnose

Diese Entwicklung ermöglicht neue Geschäftsmodelle wie Predictive Maintenance und Condition Monitoring, bei denen Signalkonditionierer als intelligente Knoten in vernetzten Systemen fungieren.

Letztes Update des Artikels: 8. Mai 2025