Analoge vs. digitale Messumformer

Analoge und digitale Messumformer wandeln physikalische Größen in proportionale elektrische Signale um. Analoge Messumformer werden aufgrund ihrer Einfachheit und geringen Kosten häufig in herkömmlichen Messsystemen eingesetzt. Digitale Messumformer hingegen finden zunehmend in modernen intelligenten Systemen Verwendung, da sie eine hohe Genauigkeit, hohe Störfestigkeit und einfache Integration bieten. Dieser Artikel untersucht die grundlegenden Unterschiede zwischen diesen beiden Arten von Messumformern, ihre Funktionsprinzipien, Vorteile und Anwendungen in verschiedenen Bereichen.

Was ist ein analoger Messumformer?

Ein analoger Messumformer wandelt eine physikalische Größe wie Temperatur, Druck oder Lichtintensität in ein kontinuierliches elektrisches Signal um. Dieses Signal variiert typischerweise in Spannung oder Strom und spiegelt direkt die Änderungen der gemessenen physikalischen Größe wider. Wenn beispielsweise der Druckbereich von 0 bis 60 bar reicht, könnte der Messumformer bei 0 bar 4 mA und bei 60 bar 20 mA ausgeben. Bei 30 bar wäre der Ausgang 12 mA. Das bedeutet, dass er umgehend auf alle Änderungen des Eingangsdrucks reagiert, wenn dieser steigt oder fällt.

Was ist ein digitaler Messumformer?

Ein digitaler Messumformer wandelt eine physikalische Größe in diskrete digitale Signale um, die durch Binärwerte (1en und 0en) dargestellt werden. Digitale Messumformer verwenden Algorithmen und digitale Verarbeitung, um ihre Eingänge zu interpretieren und die gewünschte Ausgabe zu erzeugen. Sie enthalten oft zusätzliche Komponenten wie Analog-Digital-Wandler (ADCs), um analoge Signale in ein digitales Format umzuwandeln.

Digitale Messumformer haben eine hohe Genauigkeit und Störfestigkeit, was sie für komplexe und hochpräzise Anwendungen geeignet macht. Ein Beispiel für einen digitalen Messumformer ist ein digitaler Temperatursensor, der Temperaturmessungen in digitale Daten umwandelt, die leicht von Mikrocontrollern oder Computern verarbeitet werden können. Zum Beispiel gibt ein digitaler Temperatursensor bei 25 °C einen Binärwert von 0001 1001 0001 0001 und bei 50 °C 0011 0010 0000 0000 aus.

Hinweis: Sensoren erfassen und messen physikalische Größen wie Temperatur oder Druck und wandeln sie in Rohsignale um. Messumformer hingegen wandeln diese Rohsignale in standardisierte elektrische Signale um und integrieren oft Sensoren zusammen mit zusätzlichen Signalaufbereitungskomponenten. Beispielsweise erfasst ein Drucksensor den Druck und gibt ein Rohsignal aus, während ein Druckmessumformer das Rohsignal des Drucksensors in ein 4-20 mA Stromsignal umwandelt. Erfahren Sie mehr über ihre Unterschiede in unserem Artikel Sensor vs. Messumformer.

Wichtige Überlegungen bei der Auswahl von analogen oder digitalen Messumformern

Die Wahl des richtigen Messumformertyps hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.

• Auflösung und Genauigkeit:
  • Analog: Bietet kontinuierliche Ausgabe und potenziell höhere Auflösung, abhängig vom verwendeten Analog-Digital-Wandler (ADC) für die Auslesung. Die Genauigkeit kann jedoch durch Rauschen und Signaldrift im Laufe der Zeit beeinträchtigt werden.
  • Digital: Liefert diskrete Ausgabewerte mit fester Genauigkeit, die durch die Bittiefe bestimmt wird. Eine höhere Bittiefe bedeutet größere Genauigkeit, erfordert aber möglicherweise zusätzliche Rechenleistung.
• Signalverarbeitung und Schnittstelle:
  • Analog: Erfordert oft zusätzliche Signalaufbereitungsschaltungen (Verstärker, Filter) vor der Anbindung an Datenerfassungssysteme. Dies erhöht die Komplexität und das potenzielle Rauschen.
  • Digital: Kann interne Signalaufbereitung integrieren und vereinfacht die Schnittstelle zu digitalen Eingabegeräten. Dies reduziert Rauschen und vereinfacht das Systemdesign.
• Datenübertragung:
  • Analog: Signale sind anfällig für Rauschen und Störungen über lange Strecken.
  • Digital: Weniger anfällig für Rauschen und Störungen, ideal für Datenübertragung über lange Strecken.
• Kosten und Komplexität:
  • Analog: Generell niedrigere Anfangskosten, aber zusätzliche Signalaufbereitungsschaltungen können die Gesamtkomplexität des Systems erhöhen.
  • Digital: Möglicherweise höhere Anfangskosten aufgrund interner Verarbeitungsschaltungen, aber die einfachere Schnittstelle reduziert die Gesamtkomplexität des Systems.

Tabelle 1: Unterschiede zwischen analogen und digitalen Messumformern

Merkmal	Analoger Messumformer	Digitaler Messumformer
Datenausgabe	Gibt kontinuierliche Spannungs- oder Stromsignale aus, die den Analogwert repräsentieren	Gibt diskrete digitale Signale aus, normalerweise in Binärform
Genauigkeit	Hängt von der Qualität des Sensors und des Schaltungsdesigns ab, kann durch Rauschen beeinflusst werden	Hohe Genauigkeit, weniger beeinflusst durch Rauschen und Störungen
Auflösung	Begrenzt durch die Sensor- und ADC-Auflösung, normalerweise niedriger	Hohe Auflösung, typischerweise 12-Bit, 16-Bit oder höher
Signalverarbeitung	Benötigt einen ADC zur Umwandlung analoger Signale in digitale zur Verarbeitung	Integriert normalerweise ADC intern, keine externe Umwandlung erforderlich
Übertragungsdistanz	Begrenzte Übertragungsdistanz, anfällig für elektromagnetische Störungen	Kann über lange Strecken über serielle Schnittstellen übertragen werden, starke Störfestigkeit
Schnittstellenkomplexität	Einfache Schnittstelle, liest typischerweise Signale durch Spannungs- oder Stromänderungen	Komplexe Schnittstelle, erfordert Protokolle und Standards zum Lesen und Übertragen von Daten
Stromverbrauch	Normalerweise niedrig, abhängig vom spezifischen Schaltungsdesign	Kann aufgrund von mehr integrierten Schaltkreisen und Verarbeitungsfunktionen höher sein
Kosten	Generell günstiger, geeignet für einfache und kostengünstige Anwendungen	Generell teurer, hat aber Vorteile in Genauigkeit und Zuverlässigkeit
Kalibrierung	Kann häufige Kalibrierung erfordern, um die Genauigkeit zu erhalten	Niedrigere Kalibrierungsfrequenz, normalerweise werkseitig kalibriert
Ansprechzeit	Kurze Ansprechzeit, geeignet für die Messung sich schnell ändernder Signale	Ansprechzeit kann aufgrund von Datenverarbeitung und -umwandlung länger sein

Lesen Sie unsere Auswahlkriterien für Druckmessumformer für ein umfassenderes Verständnis der verschiedenen Parameter bei der Auswahl eines Druckmessumformers.

Anwendungen

Anwendungen analoger Sensoren/Messumformer

1. Analoge Druckmessumformer: Wandeln Gas- oder Flüssigkeitsdruck in ein analoges elektrisches Signal zur Überwachung und Steuerung im Maschinenbau, in der Mess- und Regeltechnik, Hydraulik und Pneumatik, bei Pumpen und Kompressoren sowie im Schiffbau um
2. Thermoelemente: Werden zur Temperaturmessung in industriellen Kesseln, Öfen und chemischen Anlagen eingesetzt
3. Photodioden: Werden zur Lichtintensitätserkennung in Kamera-Lichtsensoren, automatisch dimmenden Lampen und Umgebungslichtsensoren eingesetzt
4. Analoge Mikrofone: Werden für Audioeingaben in Aufnahmegeräten, Telefonen und Hörgeräten verwendet

Anwendungen digitaler Sensoren/Messumformer

1. Digitaler Temperaturmessumformer: Wird zur hochpräzisen Temperaturüberwachung in industriellen Anwendungen, hauptsächlich HVAC-Systemen, sowie in Fertigungsprozessen, der Lebensmittel- und Getränkeproduktion, der chemischen Verarbeitung und Energiemanagementsystemen eingesetzt
2. Digitale Druckmessumformer: Werden in Hydrauliksystemen, HVAC-Systemen und der Prozesssteuerung eingesetzt
3. Beschleunigungsmesser: Werden zur Bewegungserkennung und Standortverfolgung in Smartphones, Spielcontrollern und Automobilsicherheitssystemen eingesetzt
4. Lichtmessumformer: Werden zur Lichtintensitätserkennung und automatischen Anpassung der Bildschirmhelligkeit von Smartphones und automatischen Beleuchtungssystemen verwendet
5. Gasmessumformer: Werden in Luftqualitätsüberwachungsgeräten, industriellen Gasdetektoren und landwirtschaftlichen Umweltüberwachungssystemen eingesetzt
6. Flüssigkeitsmessumformer: Werden zum Erkennen und Messen verschiedener Eigenschaften von Flüssigkeiten in Flüssigkeitsstandüberwachungssystemen, Durchflussmessern und Flüssigkeitszusammensetzungsanalysatoren verwendet

FAQ

Was ist der Unterschied zwischen analogen und digitalen Geschwindigkeitssensoren?

Analoge Geschwindigkeitssensoren erzeugen ein kontinuierliches Signal, das proportional zur Geschwindigkeit ist, während digitale Geschwindigkeitssensoren diskrete Impulse oder Signale, oft in Binärform, erzeugen, die Geschwindigkeitsdaten repräsentieren.