Signalverstärker

Bei einem Verstärkungswert G > 1 wirkt der Messverstärker entsprechende Abb.3:

Der Messverstärker verstärkt dann unabhängig vom Vorzeichen und der Signalform. Sowohl die Ein- als auch die Ausgangssignale des Verstärkers liegen typischerweise im Bereich von ±10V. Wird die Verstärkung G zu groß gewählt, so kann das Ausgangssignal auch schnell in die Begrenzung laufen. Hierzu sollte man die Amplitude des Eingangssignals abschätzen. Sind hingegen Pegeldämpfungen gefragt, wird eine Verstärkung G kleiner eins eingestellt. Abb.4 zeigt die Auswirkung an:

Der Impedanzwandler ist eine Sonderform des Verstärkers. Seine Aufgabe besteht in erster Linie darin, eine Signalquelle, z.B. eine „empfindliche“ Oszillatorfrequenz, so mit einer Messapparatur zu verbinden, dass die Signalquelle dann „belastbar“ wird. Ansonsten würde die Quelle durch die Messung selbst verfälscht, eventuell sogar kurzgeschlossen. Hier hilft die extrem hohe Eingangsimpedanz Z_IN des Verstärkers von ca. 1GΩ. Der Ausgang mit einer Impedanz Z_OUT von wenigen Ω kann dann durch Standardmessgeräte abgegriffen werden. Zur Unterscheidung sei hier der Wert +1 in das Symbol mitaufgenommen.

Die Wirkung des Impedanzwandlers wird in Abb.6 dargestellt:

In der Regelungstechnik findet der Signalverstärker Einsatz als Messwandler. Dann ist er Bestandteil des Regelkreises gem. Abb.7:

Für die Rückführung der Regelgröße r in einen Regelkreis muss an der Regelstrecke (hier als Messort eingetragen) ein Signal gemessen werden, aus dem der Istwert r gebildet wird.

Unmittelbar am Messort könnte man daher gem. Abb.7 bzw. Abb.8 vom Sensorsignal x sprechen. Häufig kann das so gemessene Signal x nicht direkt mit dem entsprechenden Eingang des Differenzbilders (bzw. einer Reglereingangsstufe) verbunden werden, da die Signalbereiche nicht übereinstimmen oder eine gänzlich andere Physik vorliegt.

Man benötigt daher eine Signalanpassung bzw. einen Signalverstärker, der sowohl verstärken als auch dämpfen können sollte. Weiterhin treten oftmals Offsetprobleme auf, die ebenfalls ausgeglichen werden müssen.

Die Modifikation des Sensorsignals vor Ort ist von zahlreichen Sensorherstellern bereits in die Produktpalette integriert und daher unbedingt im Regelkonzept zu berücksichtigen. Zum besseren Verständnis ist sie hier als separate Einheit ausgeführt und letztlich als eine eigene Regelkreiskomponente zu betrachten.

Welcher Verstärkungsfaktor G einzustellen ist, hängt von der regelungstechnischen Aufgabenstellung ab. So kann z.B. die Regelstrecke zunächst so betrieben werden, dass das größtmögliche Ausgangssignal am Sensor gemessen wird. Dieses Sensorsignal wird danach mit dem Eingang IN des Signalverstärkers verbunden. Der Verstärkungsfaktor wird nun so eingestellt, dass das Ausgangssignal des Verstärkers dem maximalen Sollwert entspricht (im Normalfall 10V). Im beschriebenen Fall wäre auf den gesamten Regelbereich optimiert worden.

Jedoch lässt sich auch eine Optimierung für einen Arbeitspunkt AP vornehmen, bei dem der Sensor ein zuvor definiertes Ausgangssignal ausgeben soll. Eine neutrale Herangehensweise in diesem Zusammenhang ist die Rückkoppelgröße r und den Sollwert w aufeinander abzugleichen. So ergibt sich ein Verstärkungsfaktor des offenen Regelkreises, die sogenannte Leerlaufverstärkung V₀ zu 1.

Darüber hinaus können mit dem Verstärkungsfaktor G nichtlineare Parameterveränderungen simuliert werden, indem man den Übertragungsfaktor G der Signalanpassung nachträglich im laufenden Prozess verändert und die Auswirkung auf den Regelkreis studiert.

Im Rahmen regelungstechnischer Aufgabenstellungen kann hiermit die Auswirkung von Offsetfehlern oder Drifterscheinungen z.B. aufgrund von Materialermüdungen oder Alterungen im Sensor auf die Regelung einfach studiert werden. Ausgangspunkt sollte ein Wert von Null sein.

Die Lieferung erfolgt als fertig aufgebaute und getestete Baugruppe (Fertigmodul). Zubehör ist optional und muss extra bestellt werden. Dieses Zubehör gehört auch nicht zum Lieferumfang.