Eine Behälterwaage arbeitet während der Inbetriebnahme zunächst stabil. Sobald jedoch der Frequenzumrichter des Rührwerks einschaltet, beginnt der Gewichtswert zu schwanken. Bei niedriger Motordrehzahl sind nur wenige Teilungen sichtbar, bei höherer Frequenz springt die Anzeige deutlich stärker. Mechanisch steht der Behälter ruhig, die Wägezellen sind korrekt montiert und selbst bei konstantem Gewicht verändert sich das Signal.
Ein typischer Verdacht lautet dann: Die Wägezellen sind gestört. Tatsächlich liegt die Ursache häufig nicht im Messkörper, sondern im elektrischen Signalweg zwischen Wägezelle und Wägeelektronik.
Das ist bei mV/V-Wägezellen besonders kritisch. Eine Wägezelle mit einer Empfindlichkeit von beispielsweise 2 mV/V liefert bei 10 V Speisespannung und Nennlast lediglich rund 20 mV Differenzsignal. Bei zehn Prozent Last sind es entsprechend nur etwa 2 mV. Kleine eingekoppelte Störspannungen, Potentialunterschiede oder Kontaktprobleme können deshalb im Verhältnis zum Nutzsignal erheblich sein.
Die naheliegende Antwort lautet häufig: „Dann erden wir den Schirm nur auf einer Seite.“ Diese Regel kann in bestimmten Messaufbauten sinnvoll sein, reicht für industrielle Wägesysteme aber nicht als universelle Vorgabe aus. Manche Messketten sind ausdrücklich für eine einseitige Schirmauflage vorgesehen. Andere Systeme verbinden den Kabelschirm über das Sensorgehäuse und die Auswerteelektronik an beiden Enden und setzen dafür einen niederohmigen Potentialausgleich voraus.
Der entscheidende Punkt ist deshalb nicht, möglichst viele oder möglichst wenige Erdverbindungen herzustellen. Entscheidend ist ein definiertes Erdungs-, Schirmungs- und Potentialausgleichskonzept für die komplette Messkette.
Die wichtigste Regel lautet: Der Kabelschirm soll elektromagnetische Störungen ableiten. Er darf nicht unbeabsichtigt zum Potentialausgleichsleiter zwischen zwei Maschinenteilen werden. Bestehen zwischen Wägezelle, Waagenkonstruktion, Schaltschrank und Elektronik relevante Potentialunterschiede, müssen diese über einen dafür vorgesehenen niederohmigen Potentialausgleich beherrscht werden – nicht über die empfindliche Messleitung.
Warum mV/V-Signale besonders störanfällig sind
Analoge Wägezellen basieren in vielen Fällen auf einer Wheatstone-Brückenschaltung aus Dehnungsmessstreifen. Die Wägeelektronik speist diese Brücke mit einer definierten Spannung. Unter mechanischer Belastung verändert sich das Verhältnis der Brückenwiderstände und zwischen den beiden Signalleitungen entsteht eine sehr kleine differentielle Spannung.
Die Empfindlichkeit wird typischerweise in Millivolt pro Volt angegeben. Bei einer Wägezelle mit 2 mV/V und 10 V Speisespannung ergibt sich bei Nennlast:
2 mV/V × 10 V = 20 mV
Bei halber Last wären es idealisiert etwa 10 mV. Arbeitet die Waage nur in einem kleinen Teil des Nennlastbereiches oder besitzt sie mehrere parallelgeschaltete Wägezellen, sind die auszuwertenden Änderungen entsprechend klein.
Genau darin liegt die Herausforderung. Ein 4–20-mA-Signal besitzt gegenüber vielen elektrischen Störeinflüssen einen vergleichsweise großen Signalpegel und eine definierte Stromschnittstelle. Das mV/V-Signal einer Wägezelle wird dagegen direkt aus einer empfindlichen DMS-Brücke übertragen.
Die Wägeelektronik kann zwar differentielle Signale sehr hochauflösend auswerten und besitzt Filter gegen bestimmte Störungen. Sie kann aber nicht unterscheiden, ob eine elektrische Spannung aus einer realen Laständerung oder aus einer ungünstig eingekoppelten Störung stammt, wenn beide am Eingang ähnlich erscheinen.
Eine mechanisch hochwertige Waage kann deshalb durch einen schlechten elektrischen Aufbau deutlich schlechter messen als erwartet.
Welche Aufgabe der Kabelschirm tatsächlich hat
Der Kabelschirm umgibt die empfindlichen Signalleiter leitfähig. Seine Aufgabe besteht darin, elektrische und elektromagnetische Störfelder möglichst davon abzuhalten, sich auf die Signalleitungen auszuwirken beziehungsweise eingekoppelte Störenergie kontrolliert abzuleiten.
Der Schirm ist damit Bestandteil des EMV-Konzeptes. Er ist jedoch nicht automatisch der Schutzleiter der Anlage und sollte ebenso wenig als Ersatz für einen ausreichend dimensionierten Potentialausgleich zwischen metallischen Anlagenkomponenten verwendet werden.
Diese Unterscheidung wird in der Praxis häufig verwischt. Ein Kabel besitzt beispielsweise einen Schirm, der am Schaltschrank auf eine Erdungsschiene gelegt wird. Gleichzeitig ist das metallische Sensorgehäuse über den Schirm elektrisch verbunden. Befindet sich die Wägezelle aber auf einer großen Maschinenkonstruktion mit einem anderen Potential als der Schaltschrank, kann über genau diesen Schirm ein Ausgleichsstrom fließen.
Dann erfüllt derselbe Leiter plötzlich zwei Aufgaben: Er soll hochfrequente Störungen abschirmen und gleichzeitig einen Potentialunterschied zwischen zwei Anlagenteilen ausgleichen. Genau diese Kombination kann empfindliche Messsignale beeinträchtigen.
| Verbindung | Hauptaufgabe | Typisches Problem bei falscher Nutzung |
|---|---|---|
| Kabelschirm | EMV-Abschirmung der Messleitung | Ausgleichsströme über den Schirm |
| Schutzleiter PE | Elektrische Sicherheit | Darf nicht beliebig als Signalreferenz interpretiert werden |
| Potentialausgleich | Potentialunterschiede zwischen Anlagenteilen minimieren | Zu hoher Widerstand lässt Ausgleichsströme andere Wege suchen |
| Signalmasse | Elektrischer Bezug des Messsystems | Unkontrollierte Verbindung mit PE kann Schleifen erzeugen |
| Sensorgehäuse | Mechanischer Schutz und je nach System Teil der Abschirmung | Unklare Verbindung zum Schirm verändert das Erdungskonzept |
Für eine stabile Wägemessung müssen diese Funktionen deshalb bewusst geplant werden.
Einseitige Erdung: sinnvoll, aber keine Universalregel
Bei empfindlichen niederfrequenten Analogsignalen wird häufig eine einseitige Schirmauflage eingesetzt. Der Schirm wird dabei beispielsweise an der Wägeelektronik beziehungsweise an einer definierten Funktionserde angeschlossen und am gegenüberliegenden Ende nicht zusätzlich mit einem zweiten Erdungspunkt verbunden.
Der wesentliche Gedanke dahinter ist, niederfrequente Ausgleichsströme über den Kabelschirm zu vermeiden. Liegen Sensorseite und Schaltschrank auf geringfügig unterschiedlichen Potentialen, kann bei einer leitenden Verbindung an beiden Enden ein Strom über den Schirm fließen. Dieser Strom und die damit verbundenen elektromagnetischen Felder beziehungsweise Spannungsabfälle können die empfindliche Messung beeinflussen.
Eine einseitige Schirmauflage kann deshalb in bestimmten Anlagen sehr wirkungsvoll sein.
Sie darf aber nicht mit der Aussage verwechselt werden, dass ein Kabelschirm bei jeder industriellen Wägezelle grundsätzlich nur einseitig angeschlossen werden müsse.
Bei höheren Frequenzen verändert sich das Verhalten von Leitung, Schirm und Erdverbindungen. Ein nur einseitig angeschlossener langer Schirm kann gegenüber hochfrequenten elektromagnetischen Störungen weniger wirksam sein als eine korrekt beidseitig und flächig eingebundene Abschirmung.
Hinzu kommt, dass einige Sensorhersteller den Schirm bereits intern mit dem metallischen Messkörper verbinden. Selbst wenn der Monteur am Sensorkabel kein sichtbares Erdungskabel anschließt, kann also bereits eine elektrische Verbindung über das Sensorgehäuse bestehen.
Die Frage darf deshalb nicht lauten:
„Wo schneide ich den Schirm ab?“
Sondern:
„Wie ist der Schirm im konkreten Sensor, Kabel, Summierkasten und Messverstärker vorgesehen und wie sieht der Potentialausgleich der Anlage aus?“
Wann eine beidseitige Schirmverbindung vorgesehen sein kann
Bei industriellen Kraft- und Wägemessketten gibt es Systeme, bei denen der Kabelschirm sowohl mit dem metallischen Messkörper als auch mit dem Gehäuse der Auswerteelektronik verbunden wird.
Ein solcher Aufbau kann eine sehr wirksame, nahezu geschlossene elektromagnetische Abschirmung der gesamten Messkette erzeugen. Voraussetzung ist jedoch, dass zwischen Sensorseite und Elektronik keine problematischen Potentialunterschiede bestehen.
Genau deshalb gehört zu solchen Konzepten häufig ein separater niederohmiger Potentialausgleich zwischen Maschine beziehungsweise Wägekonstruktion und Schaltschrank.
Dann muss der Kabelschirm keine nennenswerten niederfrequenten Ausgleichsströme transportieren. Er kann seine eigentliche EMV-Aufgabe erfüllen.
In großen Anlagen ist dieser Punkt besonders relevant. Ein Behälter kann über Stahlbau, Rohrleitungen, Motoren und Ableitströme mit einem anderen lokalen Potential verbunden sein als ein mehrere Meter entfernt aufgebauter Schaltschrank. Die bloße Tatsache, dass beide irgendwo mit PE verbunden sind, garantiert noch keinen ausreichend kleinen Potentialunterschied für eine hochauflösende Messkette.
Deshalb sollte eine vorgesehene beidseitige Schirmauflage nicht durch spontanes Entfernen eines Schirmanschlusses „verbessert“ werden. Ebenso sollte eine ausdrücklich einseitig ausgelegte Schirmung nicht ohne Begründung an einem zweiten Punkt geerdet werden.
Die Herstellerdokumentation der Wägezelle und der Wägeelektronik ist hier maßgeblich.
Schirmung und Potentialausgleich konsequent trennen
Ein funktionierender Potentialausgleich sorgt dafür, dass metallische Anlagenteile, zwischen denen keine relevante Spannung bestehen soll, niederohmig miteinander verbunden sind.
Bei einer Behälterwaage betrifft das beispielsweise den Behälter beziehungsweise dessen Tragstruktur, die Wägezellen-Einbauteile, die Maschinenkonstruktion und den Schaltschrank.
Die mechanische Konstruktion selbst kann zwar elektrisch leitfähig erscheinen. Schraubverbindungen, Lackierungen, Korrosion, Lagerstellen oder elastische Elemente können jedoch dafür sorgen, dass diese Verbindung elektrisch wesentlich schlechter ist als erwartet.
Ein zusätzliches flexibles Erdungs- beziehungsweise Potentialausgleichsband über einer Wägezellen-Einbaueinheit hat deshalb eine wichtige Aufgabe. Es verhindert unter anderem, dass elektrische Ströme ihren Weg durch die Wägezelle, deren mechanische Kontaktflächen oder das Sensorkabel suchen.
Das ist insbesondere bei Anlagen mit Motoren, Schweißarbeiten, elektrostatischen Aufladungen oder möglichen Ableitströmen relevant.
Der Potentialausgleich muss entsprechend dem Anlagen- und Herstellerkonzept dimensioniert werden. Ein dünner Kabelschirm ist kein Ersatz für einen dafür vorgesehenen Potentialausgleichsleiter.
Warum die Waagenmechanik elektrisch relevant ist
Mechanische und elektrische Auslegung lassen sich bei einer Wägeanlage nicht vollständig voneinander trennen.
Eine Wägezelle sitzt zwischen einer tragenden Grundkonstruktion und der zu verwiegenden Struktur. Damit liegt sie genau an einer Stelle, an der sich zwei große metallische Bauteile mechanisch berühren oder nahezu gegeneinander isoliert sein können.
Wird ein Elektromotor am Behälter montiert, können Ableitströme oder hochfrequente Störströme über die Behälterstruktur fließen. Flexible Rohranschlüsse, elastische Lager oder lackierte Konstruktionsteile können den elektrischen Rückweg zusätzlich verändern.
Ohne definierten Potentialausgleich sucht sich der Strom den elektrisch günstigsten verfügbaren Weg. Dieser kann unter ungünstigen Umständen über Wägezelleneinbauteile, Schirmleitungen oder andere Messverbindungen führen.
Deshalb besitzen industrielle Einbaueinheiten für Wägezellen häufig explizite Erdungs- beziehungsweise Potentialausgleichsverbindungen.
Auch für die Diagnose ist dieser Zusammenhang wichtig. Ein Gewichtssignal, das sich beim Einschalten eines großen Motors verändert, muss nicht zwangsläufig durch elektromagnetische Einstrahlung direkt in das Sensorkabel verursacht werden. Ebenso möglich ist eine Veränderung des lokalen Bezugspotentials der mechanischen Konstruktion.
Messkabel EMV-gerecht verlegen
Die beste Schirmungsstrategie kann nur begrenzt helfen, wenn das Wägezellenkabel über viele Meter direkt neben einer stark störenden Leitung verlegt wird.
Besonders kritisch sind Motorleitungen hinter Frequenzumrichtern. Die dort erzeugten steilen Spannungsschaltflanken enthalten hochfrequente Anteile, die kapazitiv und induktiv auf benachbarte Leitungen einkoppeln können.
Auch Leitungen von Servoantrieben, Schützen, Magnetventilen, Heizungen und leistungsstarken Schaltnetzteilen können problematisch sein.
Wägezellenkabel sollten deshalb nach Möglichkeit räumlich getrennt von Leistungsleitungen geführt werden. Eine kurze Kreuzung ist wesentlich günstiger als eine lange parallele Führung. Müssen sich Signal- und Leistungskabel kreuzen, ist ein möglichst großer Kreuzungswinkel in der Regel vorteilhaft.
Auch innerhalb des Schaltschrankes sollte das empfindliche Wägezellensignal nicht unnötig durch Kabelkanäle mit Frequenzumrichter-Ausgängen geführt werden, nur weil diese geometrisch den kürzesten Weg darstellen.
Die gesamte Leitungsführung vom Sensor bis zur Wägeelektronik ist Bestandteil der Messkette.
Verdrillte Aderpaare richtig nutzen
Ein geeignetes Wägezellenkabel besteht nicht einfach aus mehreren beliebigen Adern innerhalb eines gemeinsamen Schirms.
Typischerweise werden funktional zusammengehörende Leiter als verdrillte Paare ausgeführt. Bei einer 6-Leiter-Wägezelle betrifft dies beispielsweise die beiden Signalleiter, die Speiseleitungen und die Sense-Leitungen.
Die Verdrillung reduziert die wirksame Schleifenfläche zwischen Hin- und Rückleiter. Ein elektromagnetisches Feld koppelt dadurch tendenziell ähnlicher in beide Leiter ein. Da die Auswerteelektronik die Differenz der Signalleitungen bewertet, kann ein gemeinsamer Störanteil wesentlich besser unterdrückt werden als eine asymmetrische Einstreuung.
| Aderpaar | Funktion | Warum gemeinsam verdrillen? |
|---|---|---|
| SIG+ / SIG− | mV/V-Messsignal | Maximale Symmetrie des empfindlichsten Signalpfades |
| EXC+ / EXC− | Brückenspeisung | Reduziert magnetische Einkopplung der Speiseschleife |
| SENSE+ / SENSE− | Erfassung der tatsächlichen Speisespannung an der Wägezelle | Symmetrische Rückführung der Kompensationsinformation |
| Schirm | Umgebende elektromagnetische Abschirmung | Nicht als normaler Signal- oder Potentialausgleichsleiter verwenden |
Bei Reparaturen oder Verlängerungen sollte diese Paarstruktur deshalb erhalten bleiben.
Ein Kabel, das zwar dieselbe Anzahl Adern besitzt, aber keine geeignete Paarverseilung, Kapazität und Abschirmung aufweist, ist nicht automatisch gleichwertig mit einem vorgesehenen Wägezellenmesskabel.
Summierkasten und Kabelverlängerung berücksichtigen
Bei Behälter- oder Plattformwaagen werden häufig mehrere Wägezellen über einen Summierkasten zusammengeführt. Damit entsteht im Signalweg eine zusätzliche Stelle, an der Schirmung, Potentialausgleich und Isolation korrekt weitergeführt werden müssen.
Der Schirm darf an einer Kabelverschraubung nicht zufällig enden. Ebenso wenig sollte er über ein langes dünnes Anschlussdrähtchen angebunden werden, wenn die vorgesehene EMV-Verbindung eine flächige Schirmauflage verlangt.
Der Summierkasten selbst kann metallisch oder isolierend aufgebaut sein und je nach System eine definierte Schirmklemme beziehungsweise EMV-Kabelverschraubung besitzen. Das Herstellerkonzept muss deshalb auch hier durchgängig umgesetzt werden.
Feuchtigkeit verschärft das Problem zusätzlich. Sinkende Isolationswiderstände oder Kriechströme können Verbindungen zwischen Signalleitern, Schirm und Gehäuse erzeugen, die im trockenen Zustand nicht vorhanden sind.
Ein Fehler, der ausschließlich nach Regen, Reinigung oder hoher Luftfeuchtigkeit auftritt, sollte deshalb nicht nur als klassisches EMV-Problem betrachtet werden.
Frequenzumrichter als typische Störquelle
Frequenzumrichter gehören zu den häufigsten Störquellen in industriellen Wägesystemen. Dabei ist nicht der Motorstrom als solcher das Hauptproblem, sondern die schnelle elektronische Schaltung der Ausgangsspannung.
Die steilen Flanken erzeugen ein breites Frequenzspektrum. Störungen können über elektrische Felder, magnetische Felder, gemeinsame Masseverbindungen oder parasitäre Kapazitäten in andere Stromkreise gelangen.
Ein charakteristisches Fehlerbild ist eine Waage, die bei ausgeschaltetem Antrieb vollkommen stabil arbeitet und unmittelbar nach Freigabe des Frequenzumrichters unruhig wird. Verändert sich die Störung zusätzlich mit Motorfrequenz oder Lastzustand, ist der Zusammenhang noch deutlicher.
Die Lösung sollte dann nicht zuerst darin bestehen, die digitale Filterzeit der Wägeelektronik maximal zu erhöhen.
Zunächst sollten Kabelweg, Schirmanschlüsse, Potentialausgleich, Motorerdung und Frequenzumrichterinstallation geprüft werden. Erst wenn der elektrische Aufbau stimmt, sollte die für den Prozess notwendige Signalfilterung optimiert werden.
Störungen systematisch diagnostizieren
EMV-Probleme sind häufig schwierig zu finden, weil sie nur unter bestimmten Betriebszuständen auftreten. Eine systematische Diagnose ist deshalb wesentlich sinnvoller als zufälliges Umklemmen von Schirm und Erdleitungen.
Besonders hilfreich ist die Frage, wodurch sich der Fehler reproduzierbar beeinflussen lässt. Tritt er beispielsweise nur beim Einschalten eines bestimmten Antriebes auf, liefert das bereits mehr Information als die reine Beobachtung eines springenden Gewichtswertes.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| Anzeige wird nur bei laufendem Frequenzumrichter unruhig | EMV-Einkopplung oder Potentialverschiebung | Kabelweg, Schirmung und Potentialausgleich prüfen |
| Nullpunkt ändert sich beim Berühren des Sensorgehäuses | Unklarer Massebezug oder Schirmfehler | Gehäuse-, Schirm- und PA-Verbindungen kontrollieren |
| Messwert ändert sich beim Bewegen des Kabels | Kabelbruch, Schirmunterbrechung oder Klemmstellenproblem | Leitung und Anschlüsse mechanisch prüfen |
| Störung tritt nach Reinigung oder bei Feuchtigkeit auf | Reduzierter Isolationswiderstand | Summierkasten, Kabel und Verschraubungen prüfen |
| Signal wird nach Verbindung zweier Gehäuse schlechter | Ausgleichsstrom über neu geschaffenen Erdweg | Potentialdifferenz und PA-Konzept untersuchen |
| Signal ist am Sensor stabil, nach Verlängerung unruhig | Schirmung oder Kabelaufbau der Verlängerung ungeeignet | Verlängerungsleitung und Schirmübergänge prüfen |
Ein Messgerät für Potentialdifferenzen kann dabei ebenso hilfreich sein wie die Anzeige der Wägeelektronik selbst. Liegt zwischen Waagenkonstruktion und Schaltschrank ein messbarer Potentialunterschied vor, sollte nicht einfach der Sensorschirm als zusätzliche Verbindung verwendet werden.
Stattdessen muss das Potentialausgleichskonzept untersucht werden.
Warum ein Digitalfilter keine schlechte Installation repariert
Moderne Wägeelektroniken bieten leistungsfähige digitale Filter. Damit lässt sich beispielsweise das Signal einer vibrierenden Behälterwaage beruhigen oder eine definierte Unterdrückung von Netzfrequenzstörungen erreichen.
Diese Funktionen sind sehr wertvoll. Sie sollten aber nicht dazu dienen, eine elektrisch gestörte Messstelle lediglich optisch ruhig erscheinen zu lassen.
Ein starker Tiefpass kann zwar schnelle Störungen aus der Anzeige entfernen. Gleichzeitig reduziert er jedoch die nutzbare Dynamik der Waage.
Bei Dosier- oder Abfüllprozessen kann das dazu führen, dass eine reale Gewichtsänderung verspätet erkannt wird. Die Regelung schaltet zu spät ab und die Dosiergenauigkeit verschlechtert sich.
Eine stabile Anzeige ist deshalb nicht automatisch gleichbedeutend mit einem störungsfreien Eingangssignal.
Zuerst sollte die Störquelle beziehungsweise der Übertragungsweg soweit wie möglich beseitigt werden. Anschließend wird die Filterung entsprechend der mechanischen und prozesstechnischen Dynamik eingestellt.
Praxisbeispiel einer Behälterwaage
Ein Mischbehälter steht auf vier Wägezellen und wird über eine Wägeelektronik ausgewertet. Der Behälter besitzt zusätzlich einen frequenzgeregelten Rührwerksmotor.
Bei ausgeschaltetem Rührwerk schwankt die Anzeige nur um wenige Gramm. Nach dem Start des Frequenzumrichters bewegt sich die Anzeige dagegen um mehrere Kilogramm, obwohl der tatsächliche Behälterinhalt unverändert bleibt.
Zunächst wird vermutet, dass die mechanischen Schwingungen des Rührwerks über die Behälterkonstruktion in die Wägezellen eingeleitet werden. Eine Prüfung bei sehr niedriger Drehzahl zeigt jedoch, dass die Gewichtsstörung bereits auftritt, bevor nennenswerte mechanische Schwingungen entstehen.
Bei der weiteren Untersuchung fällt auf, dass Wägezellenleitung und Motorkabel über mehrere Meter im selben Kabelkanal geführt werden. Zusätzlich wurde der Schirm der Wägezellenleitung bei einer früheren Umbauarbeit im Summierkasten von der vorgesehenen Schirmklemme getrennt und über eine lange Einzelader auf eine Gehäuseschraube gelegt.
Auch zwischen Behälterkonstruktion und Schaltschrank besteht kein definierter zusätzlicher Potentialausgleich. Elektrisch sind beide nur über die allgemeine Maschinenstruktur miteinander verbunden.
Die Messstelle wird daraufhin nicht durch eine stärkere Filterung „repariert“, sondern systematisch neu aufgebaut. Mess- und Motorleitungen werden soweit möglich getrennt, der Schirm entsprechend dem vorgesehenen Systemkonzept wieder sauber aufgelegt und der Potentialausgleich der Wägekonstruktion geprüft beziehungsweise hergestellt.
Nach der Änderung bleibt das Rohsignal auch bei laufendem Frequenzumrichter wesentlich stabiler. Das Digitalfilter der Wägeelektronik kann anschließend wieder auf eine kürzere Zeitkonstante eingestellt werden.
Damit verbessert sich nicht nur die ruhende Gewichtsanzeige. Auch die Reaktionszeit beim Dosieren wird wieder kürzer.
Das Beispiel zeigt den eigentlichen Zweck eines guten EMV-Konzeptes: Störungen sollten möglichst verhindert werden, bevor sie durch Softwarefilter aus dem Messwert herausgerechnet werden müssen.
Nach Änderungen die Kalibrierung prüfen
Eine reine Änderung der Schirmverbindung sollte das mechanische Kennverhalten einer Wägezelle grundsätzlich nicht verändern. Trotzdem ist es sinnvoll, nach Arbeiten an Messleitung, Summierkasten oder Wägeelektronik die Messkette zu überprüfen.
Bei einer Kabeländerung kann beispielsweise versehentlich eine Signal- oder Sense-Leitung vertauscht, ein Kontaktwiderstand erzeugt oder die Speisespannung verändert worden sein.
Bei 4-Leiter-Systemen können Änderungen von Leitungslänge und Leitungswiderstand stärker in die Messung eingehen als bei einer korrekt ausgewerteten 6-Leiter-Anordnung mit Sense-Leitungen.
Nach größeren Arbeiten sollte deshalb mindestens Nullpunkt und Span mit einer bekannten Referenzlast beziehungsweise dem vorgesehenen Kalibrierverfahren kontrolliert werden.
Bei eichfähigen beziehungsweise qualitätskritischen Waagen gelten darüber hinaus die entsprechenden betrieblichen und metrologischen Vorgaben.
EMV-Konzept bereits bei der Planung festlegen
Viele EMV-Probleme entstehen nicht bei der Inbetriebnahme, sondern bereits im Schaltschrank- und Maschinenlayout.
Wenn Motorleitungen, Wägezellenleitungen und Kommunikationskabel im CAD-System zunächst alle im selben Kabelweg geplant werden, lässt sich die spätere Installation oft nur noch mit hohem Aufwand korrigieren.
Deshalb sollte bereits während der Planung festgelegt werden, wo die Wägezellenleitungen verlaufen, wo der Summierkasten sitzt, wie der Kabelschirm durchgängig weitergeführt wird und an welcher Stelle die Schirmverbindung zur Wägeelektronik hergestellt wird.
Ebenso muss geklärt sein, wie die metallische Waagenkonstruktion in den Potentialausgleich eingebunden wird.
Bei mehreren Wägezellen sollte auch die elektrische Architektur des Summierkastens feststehen. Schirmanschlüsse, EMV-Kabelverschraubungen und Dichtheit sind keine nebensächlichen Zubehörfragen, sondern Bestandteil der Signalqualität.
Die Auswahl zwischen 4- und 6-Leitertechnik, die maximale Kabellänge und die Position der Wägeelektronik sollten ebenfalls frühzeitig entschieden werden.
Ein späterer Umbau ist möglich, aber eine von Anfang an sauber geplante Messkette ist in der Regel robuster und leichter zu diagnostizieren.
Häufige Fehler
Den Schirm grundsätzlich immer nur einseitig anschließen
Eine einseitige Schirmauflage kann sinnvoll sein, ist aber keine universelle Vorschrift für jede Wägezelle und jede Wägeelektronik. Herstellerangaben und das EMV-Konzept der gesamten Messkette müssen berücksichtigt werden.
Den Schirm als Potentialausgleich verwenden
Der Kabelschirm ist für die elektromagnetische Abschirmung vorgesehen. Relevante Potentialunterschiede zwischen Maschine und Schaltschrank sollten über einen dafür vorgesehenen niederohmigen Potentialausgleich beherrscht werden.
Sensorseite und Schaltschrank ohne Potentialprüfung verbinden
Eine zusätzliche Erdverbindung kann bei vorhandenen Potentialunterschieden einen neuen Ausgleichsstrom erzeugen. Deshalb sollte nicht nach dem Prinzip „mehr Erde ist immer besser“ verdrahtet werden.
Wägezellenkabel gemeinsam mit Motorleitungen verlegen
Besonders Leitungen von Frequenzumrichtern können starke elektromagnetische Störungen erzeugen. Lange parallele Verlegung ist deshalb möglichst zu vermeiden.
Den Schirm über lange dünne Drähte anschließen
Für hochfrequente Störströme besitzt eine lange Anschlussleitung eine relevante Impedanz. Wo eine flächige EMV-Schirmauflage vorgesehen ist, sollte sie entsprechend ausgeführt werden.
Nur die Anzeige filtern
Ein Digitalfilter kann einen unruhigen Wert glätten, beseitigt aber weder einen schlechten Potentialausgleich noch elektromagnetische Einstreuung.
Die interne Verbindung des Sensorschirms nicht berücksichtigen
Bei manchen Wägezellen ist der Kabelschirm bereits mit dem metallischen Messkörper verbunden. Das muss in das Erdungskonzept einbezogen werden.
Nach Umbauten nicht erneut prüfen
Nach Veränderungen an Kabel, Summierkasten oder Elektronik sollte kontrolliert werden, ob Nullpunkt, Spanne und Signalstabilität weiterhin korrekt sind.
Passende Wägetechnik bei ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet analoge und digitale Wägezellen, Kraftaufnehmer, Einbaueinheiten, Wägeelektroniken, Summierlösungen und Messverstärker für industrielle Wägesysteme an.
Die Wägezellen umfassen unterschiedliche Bauformen für Plattform-, Behälter-, Silo-, Zug- und Druckanwendungen. Analoge Ausführungen arbeiten typischerweise auf DMS-Basis und liefern entsprechend kleine mV/V-Signale, weshalb mechanischer Einbau, Verkabelung und Signalaufbereitung gemeinsam betrachtet werden müssen.
Für die Integration analoger Wägezellen in SIMATIC-Systeme steht beispielsweise die SIWAREX WP231 zur Verfügung. Sie übernimmt Brückenauswertung, Gewichtsermittlung, Kalibrierung und Diagnose und kann sowohl in SIMATIC S7-1200 als auch als eigenständige Wägeelektronik eingesetzt werden.
Für Anwendungen mit höherer Dynamik ist unter anderem das SIWAREX WP321 verfügbar. Bei dynamischen Kraft- und Wägeanwendungen ist dabei besonders wichtig, EMV-Störungen nicht mit einer tatsächlich schnellen mechanischen Laständerung zu verwechseln.
Das IM2 DMS-Anzeige- und Auswertegerät besitzt einen direkten Eingang für Wägezellen beziehungsweise DMS-Sensoren mit typischen Kennwerten von 1 bis 4 mV/V und eine integrierte Brückenspeisung.
Als typische industrielle Wägezelle kann beispielsweise die SIWAREX WL230 SB-S SA für Behälter-, Plattform- und vergleichbare Wägeanwendungen eingesetzt werden.
Für eine zuverlässige Systemauslegung sollten nicht nur Nennlast und Genauigkeitsklasse angegeben werden. Ebenso wichtig sind Kabellänge, 4- oder 6-Leiteranschluss, vorhandene Frequenzumrichter, räumliche Leitungsführung, Anzahl der Wägezellen, Summierkasten, Schaltschrankaufbau und das bestehende Potentialausgleichskonzept.
Kraft-, Wäge- und Wegmesstechnik bei ICS Schneider
Weiterführend: Wägezellenkabel verlängern – 4- und 6-Leitertechnik richtig berücksichtigen
Weiterführend: mV/V-Signal simulieren – Wägezellen und DMS-Sensoren richtig testen
Fazit
Das Ausgangssignal einer analogen Wägezelle ist klein. Bei einem Kennwert von wenigen mV/V werden selbst bei Nennlast nur wenige Millivolt übertragen. Entsprechend wichtig ist ein sauberer elektrischer Signalweg.
Die Aussage „Wägezellenschirm immer einseitig erden“ ist dabei zu einfach. Eine einseitige Schirmauflage kann bei niederfrequenten Potentialunterschieden helfen, unerwünschte Schirmströme zu vermeiden. Andere Messketten sind dagegen ausdrücklich für einen durchgängigen Schirmanschluss über Sensor- und Elektronikgehäuse vorgesehen.
Entscheidend ist deshalb, Schirmung und Potentialausgleich nicht miteinander zu verwechseln. Der Schirm schützt den Messsignalweg gegen elektromagnetische Störungen. Der Potentialausgleich sorgt dafür, dass zwischen mechanischer Konstruktion, Sensor und Schaltschrank keine problematischen Potentialunterschiede entstehen. Werden diese Aufgaben sauber getrennt, muss der Kabelschirm keine Ausgleichsströme übernehmen.
Ebenso wichtig sind Kabeltyp und Leitungsführung. Verdrillte Signalpaare, ein durchgängiger Schirm, definierte Schirmübergänge und räumliche Trennung zu Frequenzumrichter- und Motorleitungen reduzieren die Wahrscheinlichkeit von Störungen erheblich.
Eine starke digitale Filterung sollte dagegen erst am Ende der Optimierung stehen. Sie kann die gewünschte Prozessdynamik reduzieren und verdeckt möglicherweise eine Installationsursache, anstatt sie zu beseitigen.
Wer Wägezelle, mechanische Konstruktion, Potentialausgleich, Messkabel, Summierkasten und Wägeelektronik als gemeinsame Messkette plant, erhält nicht nur eine ruhigere Anzeige. Die Messstelle wird auch reproduzierbarer, leichter zu diagnostizieren und robuster gegenüber späteren Anlagenänderungen.
FAQ zur Schirmung von mV/V-Wägezellensignalen
Sollte der Schirm einer Wägezelle immer nur einseitig geerdet werden?
Nein. Eine einseitige Schirmauflage ist ein verbreitetes Konzept für empfindliche analoge Messsignale, aber keine allgemeingültige Regel. Manche Hersteller beziehungsweise Messketten sehen einen durchgängigen oder beidseitigen Schirmanschluss vor. Die Angaben für Wägezelle, Kabel und Wägeelektronik müssen gemeinsam betrachtet werden.
Warum kann eine beidseitige Schirmung Probleme verursachen?
Besteht zwischen beiden Enden ein elektrischer Potentialunterschied, kann über den Schirm ein Ausgleichsstrom fließen. Bei empfindlichen mV/V-Signalen kann dies die Messung beeinträchtigen.
Warum kann eine beidseitige Schirmung trotzdem sinnvoll sein?
Eine niederimpedante beidseitige Schirmverbindung kann besonders gegen hochfrequente elektromagnetische Störungen sehr wirksam sein. Voraussetzung ist ein geeignetes Anlagen- und Potentialausgleichskonzept.
Was ist der Unterschied zwischen Schirmung und Potentialausgleich?
Der Schirm dient primär der elektromagnetischen Abschirmung der Messleitung. Der Potentialausgleich verbindet Anlagenteile niederohmig miteinander, damit zwischen ihnen möglichst keine störenden Potentialunterschiede entstehen.
Darf der Kabelschirm als Potentialausgleichsleiter dienen?
Er sollte nicht dafür missbraucht werden. Sind relevante Ausgleichsströme zu erwarten, gehört ein geeigneter separater Potentialausgleich in die Anlage.
Warum sind Wägezellensignale so empfindlich?
Bei einer typischen Empfindlichkeit von 2 mV/V und 10 V Speisespannung beträgt das Ausgangssignal bei Nennlast nur etwa 20 mV. Kleine Störspannungen können deshalb im Verhältnis zum Nutzsignal relevant werden.
Warum werden Signalleiter verdrillt?
Durch die Verdrillung besitzen beide Leiter eines differentiellen Signalpaares eine ähnliche elektromagnetische Umgebung. Gemeinsame eingekoppelte Störungen können von der differentiellen Eingangsstufe besser unterdrückt werden.
Kann ein Frequenzumrichter eine Wägezelle stören?
Ja. Besonders die schnell geschalteten Motorleitungen eines Frequenzumrichters können elektromagnetische Störungen erzeugen, die auf nahe gelegene empfindliche Messleitungen einkoppeln.
Darf das Wägezellenkabel gemeinsam mit dem Motorkabel verlegt werden?
Eine lange parallele Verlegung sollte möglichst vermieden werden. Mess- und Leistungskabel sollten räumlich getrennt geführt werden.
Was passiert, wenn sich Signal- und Motorkabel kreuzen müssen?
Eine kurze Kreuzung ist meist wesentlich günstiger als eine lange parallele Führung. Wo möglich, sollten sich die Leitungen mit großem Kreuzungswinkel begegnen.
Ist ein metallischer Kabelkanal ausreichend als Abschirmung?
Er kann die EMV-Situation verbessern, ersetzt jedoch nicht automatisch ein geeignetes geschirmtes Wägezellenkabel und ein korrektes Schirmanschlusskonzept.
Kann ein Summierkasten EMV-Probleme verursachen?
Ja. Unterbrochene oder ungeeignete Schirmweiterführung, schlechte Kabelverschraubungen, Feuchtigkeit und Korrosion können dort Signalstörungen verursachen.
Warum kann Feuchtigkeit die Gewichtsanzeige beeinflussen?
Feuchtigkeit kann die Isolationswiderstände zwischen Adern, Schirm und Gehäuse reduzieren und dadurch zusätzliche Kriech- oder Leckströme erzeugen.
Hilft ein stärkerer Digitalfilter gegen EMV-Störungen?
Er kann die sichtbare Schwankung reduzieren, beseitigt aber nicht die Ursache. Gleichzeitig wird die Reaktion auf reale Gewichtsänderungen langsamer.
Kann man den Schirm einfach probeweise an einem Ende abklemmen?
Für eine strukturierte Diagnose sollte zunächst geprüft werden, wie der Schirm laut Sensor- und Elektronikhersteller angeschlossen werden soll und ob ein separater Potentialausgleich vorhanden ist. Zufälliges Umverdrahten kann neue Fehler erzeugen.
Ist das Wägezellengehäuse mit dem Kabelschirm verbunden?
Das hängt von der konkreten Wägezelle ab. Bei verschiedenen industriellen Wägezellen ist der Schirm konstruktiv mit dem Messkörper verbunden. Deshalb muss die interne Verschaltung bei der Planung berücksichtigt werden.
Warum ist ein Erdungsband über einer Wägezelleneinheit sinnvoll?
Es schafft einen definierten niederohmigen elektrischen Weg zwischen den mechanischen Anlagenteilen. Dadurch müssen elektrische Ausgleichsströme nicht über Wägezelle, Lagerflächen oder Sensorkabel fließen.
Muss nach einer Änderung der Schirmung neu kalibriert werden?
Eine reine korrekte Änderung des Schirmanschlusses verändert grundsätzlich nicht die Empfindlichkeit der Wägezelle. Nach Arbeiten an der Messverkabelung ist eine Kontrolle von Nullpunkt, Span und Signalstabilität dennoch sinnvoll.
Welche Informationen sind für die Planung einer störsicheren Wägemessung wichtig?
Wichtig sind unter anderem Wägezellentyp, Auswerteelektronik, 4- oder 6-Leiteranschluss, Kabellängen, Summierkasten, vorhandene Frequenzumrichter und Motoren, Leitungswege, Schaltschrankaufbau und das Potentialausgleichskonzept der Maschine.