Hyödyt vastusanturi- ja termoelementtiviestien muuntamisessa 4…20 mA virtaviestiksi
Termoelementti- ja vastusantureita käytetään yleisesti mittaamaan lämpötiloja teollisuusprosesseissa. Jos nämä anturit on liitetty suoraan ohjauslogiikkaan, on mittaustarkkuuden tulos joskus odotettua huonompi. Tämä tarkkuudenmenetys johtuu usein sähkömagneettisista häiriöistä. Muuntamalla termoelementti- ja vastusviestit teollisuuden vakiovirtaviestiksi 4…20 mA voidaan nämä virheet tehokkaasti eliminoida.
Useimmat termoelementit synnyttävät alle 50 mV jänniteviestin, eikä termoelementti käytännössä pysty tuottamaan virtaa. Siksi kaikkien termoelementtejä mittaavien laitteiden tulovastuksen on oltava suuri (yleensä 1 Mohm tai enemmän).
Matalatasoisen mV-viestin ja olemattoman virrantuoton yhdistelmä saa termoelementin käyttäytymään kuin antenni. Termoelementti voi “vastaanottaa” sähköisen kohinan 50/60 Hz verkkolähteestä, purkauskohinan valaistuksesta, staattista sähköä, radiotaajuisia häiriöitä kannettavista radioista, kommutaattorikohinan DC-moottoreista ja monista muista sähköisen kohinan lähteistä – ja mitä pidemmät johtimet ovat, sitä enemmän on mahdollisuuksia sähköisen kohinan “vastaanottoon”.
Sama voi tapahtua mitattaessa vastusantureilla. Vaikka vastuselementille syötetään pientä herätevirtaa vakiovirtalähteestä (tyypillisesti 0.3 mA), ei 3- ja 4-johdinvastuksissa käytetyissä mittausjohtimissa kulje käytännössä lainkaan virtaa. Siksi myös mittausjohtimet käyttäytyvät kuin antenni, keräten laajasti teollisuusympäristön kohinaa.
Joitakin oireita kohinan häiritsemästä lämpötilan mittausviestistä ovat:
- välitön muutos, kun läheinen moottori tai lämmitin käynnistetään
- muutos, kun osa prosessia käynnistetään tai suljetaan
- muutos, kun kannettava radio lähettää
- muutos ajankohdan tai sääolojen mukaan
- muutos anturijohdotuksen sijainnin/suunnan mukaan.
Kuinka minimoida EMC-häiriöitä?
Yksi parhaita keinoja EMC-häiriöiden minimoimiseksi on minimoida anturijohtimien, ja täten “antennin”, pituus.
Tämä saavutetaan mittaamalla termoelementti- tai vastusviesti anturilta ja muuntamalla se virtaviestiksi 4…20 mA. Virtaviesti viedään ohjauslogiikan tulokortille, jonka tulovastus on noin 250 Ω. Näin vältetään EMC-häiriöt.
Virtasilmukan toiseen puoleen vaikuttaa esimerkiksi kannettavan radion aiheuttama EMC-häiriö. Häiriö saattaa avustaa (suurentaa) virtaa silmukan sillä puolella. Kuitenkin silmukan toisella puolella virta kulkee vastakkaiseen suuntaan saman sähkömagneettisen kentän läpi. Tästä johtuen jälkimmäisellä puolella silmukkaa kulkevaa virtaa vastustetaan (pienennetään) häiriön voimasta. Kokonaisvaikutus: häiriöllä ei ole käytännössä vaikutusta silmukan virtaan.
Tarkkuutta voi yhä parantaa kiertämällä silmukan johtimet keskenään. Näin varmistetaan molempien johtimien olevan yhtä paljon sähkömagneettisessa häiriökentässä, ja kierretyt johtimet muodostavat toisilleen vastakkaisten magneettikenttien ketjun koko kaapelin matkalle. Molemmat ilmiöt takaavat kaikkien EMC-häiriölähteiden vaikuttavan yhtä paljon – mutta vastakkaisesti – piirin virtaan. Näiden vaikutusten ansiosta 4…20 mA piirit voivat kulkea huomattavien EMC-häiriökenttien läpi käytännössä mittausviestin häiriintymättä.
Joissakin tapauksissa ohjauspaneelille meneviin anturijohtoihin ei kohdistu EMC-häiriöitä, mutta paneelin sisällä on voimakas sähkömagneettinen häiriökenttä. Nämä häiriöt johtuvat esimerkiksi taajuusmuuttajakäytöistä, moottorien ja lämmittimien puolijohdereleistä, sähkömoottoreiden pehmokäynnistimistä, suurjännitekoskettimista ja DC-moottorikäytöistä.
EMC-vaikutukset paneelin sisällä voidaan minimoida käyttämällä DIN-kiskoon asennettavaa lämpötilalähetintä muuntamaan matalatasoinen vastus- tai termoelementtiviesti robustiksi 4…20 mA viestiksi. Käytännössä lämpötilalähettimen erotus eliminoi myös yhteismuotoisen kohinan aiheuttaman virheen (molemmille anturijohtimille yhteinen sähköhäiriö). Tällä ratkaisulla alkuperäiseen anturijohdotukseen ei tarvita muutoksia, mutta se parantaa analogitulokortin mittauksen tarkkuutta ja toistettavuutta.
Kahden lähettimen ratkaisut
On edullista käyttää kahta lähetintä: yksi anturissa ja toinen ohjauspaneelissa. Tällä ratkaisulla saavutetaan erinomainen EMC-immuniteetti, koska anturijohtimien pituus on minimoitu ja lisäksi paneelin lähetin pystyy moniin toimintoihin paneelin sisällä:
- paneelin lähetin voi tuottaa riippumattoman, erotetun mA-lähdön ja hälytyskosketintiedot ohjauslogiikan analogi- ja digitaalitulokorteille
- paneelin lähetin voidaan varustaa taustavalaistulla näytöllä, joka näyttää prosessiarvoa, reletilaa ja anturi/piirivikoja. Tämä nopeuttaa huomattavasti vianetsintää ja käyttöönottoa
- paneeliin asennettu lähetin voi jakaa viestin, tuottaen useita, erotettuja, aktiivisia tai passiivisia 4…20 mA virtaviestejä useille eri laitteilla laitoksessa
- lisäksi PR-lähettimet pystyvät viestinvaimennukseen, epälineaaristen tulojen (esim. termistorit) monipiste- linearisointiin, epäsäännöllisen muotoisten säiliöiden tilavuusmittaukseen, kahden tuloviestin laskentatoimintoihin ja paljon muuhun.
