Lämpötilalähetin / Viestimuunnin
Mikä on viestimuunnin?
Viestimuunnin, tai lämpötilalähetin kuten sitä usein yleisesti kutsutaan, on laite, jonka tuloon on kytketty jonkinlainen anturi. Anturin signaali käsitellään muuntimessa ja lähetetään sitten lähtöviestinä jatkokäsittelyä varten ylemmän tason ohjausjärjestelmään.
Muuntimen tyypistä riippuen signaali on joko suoraan analogisesti verrannollinen tulosignaaliin tai se välitetään digitaalisessa muodossa.
Anturisignaalin signaalikäsittely muuntimessa voi olla hyvin erilaista muuntimesta riippuen, vaihdellen yksinkertaisesta analogisesta vahvistuksesta, joka muunnetaan suoraan virta-arvoksi tai jännitteeksi ulostulopuolella, edistyneempään digitaaliseen signaalinkäsittelyyn, jossa tuloksena saatu arvo lähetetään jonkinlaisella digitaalisella tietoliikenneväylällä.
Muunninta kutsutaan usein “lämpötilalähettimeksi”, koska yleisimmin käytetty anturimuoto on joko niin sanottu RTD-vastus, joka on yksinkertaisesti lämpötilariippuvainen vastus, tai TC/ termopari, jossa kaksi eri metallia (johtoa) on hitsattu yhteen kohdassa, jossa lämpötila halutaan mitata. Näiden johtojen toisesta päästä voidaan mitata jännite, EMF, joka syntyy ja on eri tavoin verrannollinen lämpötilaan.
Tässä keskitymme muuntimiin, jotka on periaatteessa suunniteltu mittaamaan joko vastusta tai jännitettä.
Miksi käyttää viestimuunninta?
On useita syitä valita viestimuunnin anturin ja ohjausjärjestelmän välille, mutta tärkein syy on varmistaa, että anturi lähettää hyvän signaalin. Jos keskitymme RTD- ja TC-antureihin, molemmat lähettävät hyvin pieniä signaaleja, ja korkean mittaustarkkuuden varmistamiseksi ne on parempi liittää muuntimeen, joka mittaa ja käsittelee signaalin ja lähettää sen sitten eteenpäin halutulla ulostulolla. On myös tärkeää, että muunnin voi määrittää anturin tilan ja kunnon, ja siten varoittaa käyttäjää anturin vioista.
Jos tarkastelemme tuloa ja kytkettyä tavallista Pt100-elementtiä, sen vastus muuttuu (hieman yleistettynä) 0,3805 ohmia celsiusastetta kohti. Käyttäjien tavanomaisena vaatimuksena on, että mittaussignaalin tarkkuus on ±0,1 °C. Tämä tarkoittaa, että muuntimen resoluution on oltava vähintään 38 mohmia, ja itse asiassa sen on oltava vielä suurempi tarkkuuden varmistamiseksi.
Vastaavasti voidaan todeta, että TC-elementti lähettää hyvin pienen lämpötilaan verrannollisen jännitteen, ja joidenkin tyyppien ero on niin pieni, että muuntimen tulon resoluution on oltava vähintään 2 uV.
Näiden pienten signaalien lisäksi signaali ei yleensä ole täysin lineaarinen lämpötilan suhteen, joten se on käsiteltävä, jotta muunnin voi tuottaa täysin lämpötilalineaarisen lähtösignaalin.
Alla on esitetty tavallisen Pt100:n epälineaarisuus, kun α=0,03805.
Vastaavasti epälineaarisen anturin lämpötilan linearisointi on tarpeen, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.
Lähettimen ulostulosta puhuttaessa tavoitteena on luoda vahva signaali, joka kestää häiriöitä ja jota voidaan kuljettaa taloudellisesti suhteellisen pitkän matkan päähän. Toisin kuin anturisignaali, se on vahvistettu ja sen toiminta-alue on paljon suurempi. Tyypillisiä lähtösignaaleja analogisessa ympäristössä ovat 0-20 tai 4-20 mA, 0-5 tai 1-5 V ja 0-10 tai 2-10 V. Käyttämällä yhtä näistä vakiosignaaleista, on helppo yhdistää ne erityyppisiin järjestelmiin, mikä puolestaan yksinkertaistaa ohjausjärjestelmien suunnittelua.
Analogisten lähtösignaalien lisäksi on nykyään useita erilaisia digitaalisia kenttäväyliä, kuten ProfiBus, ProfiNet, Fieldbus Foundation, Modbus, CAN, LIN, IO-Link ja monet muut. Yleisin digitaalinen tietoprotokolla on HART, joka on päällekkäinen digitaalinen tiedonsiirto virtasilmukassa 4-20 mA, käyttäen taajuusmoduloitua signaalia, joka on samanlainen kuin analogisissa puhelinlinjoissamme oleva modeemisignaali. Tämän nykyaikaisin standardi on HART 7.
Muuntimessa on usein myös useita turvatoimintoja, joilla valvotaan anturiliitäntää sekä sisäistä elektroniikkaa ja syöttöjännitettä jne. Tässäkin asiassa muuntimissa noudatetaan useita eri standardeja, ja yksi yleisimmistä on niin sanottu NAMUR-standardi, joka on peräisin Saksan kemianteollisuudesta. NAMUR on useiden yritysten yhteenliittymä, johon kuuluu tällä hetkellä yli 150 jäsentä.
Mikä on ero galvaanisesti eristettyjen ja eristämättömien muuntimien välillä?
Ero galvaanisesti eristetyn muuntimen ja eristämättömän muuntimen välillä on se, että anturitulo on galvaanisesti erotettu lähdöstä ja siten ohjausjärjestelmästä, johon se on kytketty. Galvaaninen eristys on usein 500 VAC, mutta yleinen on 1500 VAC ja joissakin tapauksissa jopa 3750 VAC.
Eristetyn muuntimen etuna on ei-toivottujen maavirtojen poistaminen. Alla on tyypillinen kuva TC-asennuksesta ja siitä, mitä voi tapahtua eristämättömälle muuntimelle.
Termoelementin kärjen eristys, R iso, on joskus melko matala Termoelementin korkeiden lämpötilojen tai pienten mittojen vuoksi. Tällöin syntyy ei-toivottu maadoitusvirta, IErr, jonka suuruus vaihtelee tilanteesta riippuen. Termoelementin läpi kulkeva maadoitusvirta aiheuttaa jännitehäviön TC-johtimien vastusten RL1 ja RL2 yli. Tuotettu jännite vaikuttaa TC-elementin tuottamaan jännitteeseen ja voi aiheuttaa huomattavan mittausvirheen. On vaikea ennustaa ja laskea, millaiseen virheeseen tämä tilanne voi johtaa, mutta ei ole harvinaista, että mittausvirhe on 5-10% mittausalueesta.
Jos taas käytetään eristettyä muunninta, maadoitusvirta katkeaa eristeen läpi ja mittausvirhe häviää.
Sama voi tapahtua RTD-anturin kanssa, ja alla olevassa kuvassa on Pt100-anturin vastaava liitäntä.
Maadoituseristys, RISO, on normaalisti erittäin korkea työskentelyanturissa, tyypillisesti 50-500 MΩ. Joissakin tapauksissa RTD-anturin sisäinen eristys voi kuitenkin heikentyä dramaattisesti. Syynä tähän voivat olla tärinän, ylikuumenemisen tai anturiin tunkeutuvien epäpuhtauksien aiheuttamat vauriot.
RISO: n arvosta riippuen tapahtuu maavirta IErr, joka vaikuttaa mittausvirtaan Im (Kirchhoffin laki) ja tuottaa mittausvirheen.
Eristetty muunnin ratkaisee tämän ongelman katkaisemalla maadoitusvirran muuntimen sisäisessä eristyksessä.
Eristämätön muunnin voi olla varsin riittävä, jos mitattava lämpötila-alue on suhteellisen pieni ja maadoitusriskin voidaan katsoa olevan olematon. Eristämätön muunnin on usein halvempi vaihtoehto, mutta samalla siihen liittyy suurempi mittausvirheriski.
Johtopäätöksenä voidaan siis todeta, että luotettavan mittaustuloksen saamiseksi tulisi käyttää eristettyä muunninta.
