Wie erreicht man optimale Synchronisation bei der Datenerfassung?

Der Begriff Synchronisation bezeichnet in der Prüf- und Messtechnik das zeitliche Abgleichen von Vorgängen. Wenn zwei Messgeräte synchron laufen, so laufen die Uhren in beiden Geräten gleich – keine Uhr geht nach oder voraus. Doch warum ist Synchronisation wichtig und wie wird sie in der Praxis realisiert?

Stellen Sie sich vor, Ihre Uhr geht 10 Minuten nach, aber Sie wissen nichts davon. Welche Konsequenzen hat das für Sie? Vielleicht verpassen Sie Ihren Zug oder Sie kommen regelmäßig zu spät zur Arbeit. Würde Ihre Uhr synchron zu einer anderen richtig laufenden Uhr gehen, hätten Sie diese Probleme nicht.

Diese Probleme haben ihren Ursprung aber nicht nur darin, dass zwei Uhren nicht dieselbe Zeit anzeigen. Uhren, die wir im Alltag benutzen, sind überdies hinaus auch ungenau, sie driften ab. Deshalb müssen Uhren ständig an die Weltzeit angepasst werden, um nicht zu weit davon abzudriften. Um dies zu erreichen, synchronisieren sich die meisten modernen Uhren regelmäßig mit genaueren Uhren (z.B. Atomuhren). Genauso verhält es sich auch in der Messtechnik. Wenn Messgeräte nicht synchronisiert sind, können erhebliche Probleme auftreten:

• Die von verschiedenen Messgeräten aufgezeichneten Daten stimmen nicht überein oder driften sogar auseinander.
• Der Start der Messung erfolgt bei verschiedenen Geräten nicht zum gleichen Zeitpunkt. Das bedeutet, dass man möglicherweise ein wichtiges Ereignis verpasst, weil es zu früh eingetreten ist.
• Viele Analysemethoden, wie z. B. die schnelle Fourier-Transformation (FFT), erfordern eine genaue Zeitmessung. Wenn die Zeitmessung aufgrund mangelnder Synchronisation ebenfalls ungenau ist, kann dies zu ungenauen Analyseergebnissen führen.

Eine naheliegende und einfache Möglichkeit zur Synchronisation von Messgeräten ist die Verwendung eines Triggersignals. Das Triggersignal kann von einer externen Quelle, wie beispielsweise einer Atomuhr, ausgesandt werden und wiederholt sich in regelmäßigen Abständen. Da die einzelnen Messgeräte so in periodischen Abständen ein Synchronisationssignal erhalten, kann ein Abdriften verschiedener Uhren (aufgrund derer Ungenauigkeiten) vermieden werden.

Abb. 1: Synchronisation mittels Triggersignals einer Uhr

 Doch das Problem der simplen Triggermethode liegt auf der Hand: Eine absolute Zeitangabe (z.B. nach der Weltzeit UTC) ist nicht möglich, da die Laufzeit des Triggersignals zu den einzelnen Messgeräten nicht bekannt ist. So kann ein Messgerät 100 m weiter vom Ursprung des Triggers entfernt sein als das andere. Dadurch benötigt auch das Triggersignal länger zum einen Messgerät als zum anderen.

Um dies zu vermeiden, wurde das sogenannte Precision-Time-Protocol (PTP) eingeführt. Hierbei wird das Triggersignal von einer sehr genauen Uhr, der Grandmaster Clock, in regelmäßigen Abständen ausgesendet. Die anderen Messgeräte reagieren auf dieses Signal und senden ein eigenes Zeitsignal zur Grandmaster Clock zurück. Durch die Kommunikation von beiden Uhren kann nun die Laufzeit des Triggersignals bestimmt werden. Die einzigen Fehlerquellen dieser Methode liegen in der verwendeten Hardware. Umso genauer die Hardware, umso genauer die Zeitsynchronisation.

Das Precision Time Protocol erfordert eine Kabelverbindung, was nicht immer praktisch ist. Wenn Sie Uhren über große Entfernungen oder in unwegsamem Gelände synchronisieren möchten, ist die GNSS (Global Navigation Satellite System) -Synchronisierung über z. B. GPS eine hervorragende Alternative. Mehr dazu erfahren Sie in unserem Blogbeitrag über Satellitennavigation.

Neben PTP und GNSS gibt es eine Reihe weiterer Synchronisationstechniken, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Beispiele sind IRIG-Zeitcodes (Inter-Range Instrumentation Group) und PPS-Signale (Pulse Per Second).