Så påverkar signalomvandlaren mätkedjans noggrannhet och stabilitet

En noggrann temperaturgivare är en del av en tillförlitlig mätning. Signalen behöver också överföras till styrsystemet utan att störningar eller fel i överföringen förändrar värdet. Här har signalomvandlaren betydelse, särskilt när kabelsträckorna är långa eller utrustningen sitter i en miljö med elektriska störningar.

Signalomvandlaren, även kallad temperaturtransmitter, behandlar givarsignalen och omvandlar den till exempelvis 4–20 mA. Valet av omvandlare, dess placering och inställningar påverkar både mätningens noggrannhet och hur stabilt värdet blir över tid.

Placeringen påverkar signalöverföringen

Ett Pt100-element ändrar resistans med temperaturen, medan ett termoelement ger en liten elektrisk spänning. Båda kräver en mätning som kan urskilja små förändringar. Ledningsresistans och elektriska störningar kan därför påverka resultatet innan signalen når omvandlaren.

När omvandlaren placeras nära givaren blir sträckan för den känsliga givarsignalen kortare. Den återstående överföringen till styrsystemet kan ske med en mer störningstålig standardsignal.

Placeringen behöver samtidigt anpassas till miljön. Om kopplingshuvudet blir för varmt för elektroniken kan omvandlaren behöva monteras längre från processen. En kort signalväg är alltså en fördel, men omvandlarens tillåtna driftförhållanden måste också vara uppfyllda.

Hela mätkedjan påverkar resultatet

Temperaturgivaren, signalomvandlaren, kablaget och styrsystemets ingång bidrar till mätkedjans samlade mätosäkerhet. En omvandlare kan minska känsligheten för störningar under överföringen, men den har också en egen mätavvikelse som behöver tas med i bedömningen.

Det är också skillnad mellan ett stabilt och ett korrekt värde. En signal som varierar lite kan fortfarande visa fel temperatur. Därför behöver ni bedöma både hur mycket mätvärdet varierar och hur väl det stämmer med en referensmätning.

Galvanisk isolering bryter den elektriska förbindelsen

Galvanisk isolering innebär att mätinformationen överförs utan en direkt elektrisk kontakt mellan ingång och utgång. Fältsidan och styrsystemssidan kan då ha olika jordpotential utan att en utjämningsström går genom signalkretsen. Detta används bland annat för att bryta jordloopar och minska påverkan från common-mode-spänningar.

En isolator löser däremot inte alla störningsproblem. Felaktig kabeldragning, otillräcklig skärmning, skadade givare eller för låg matningsspänning måste åtgärdas separat. Vid kraftiga transienter, exempelvis störningar som orsakas av åska, kan ett särskilt överspänningsskydd också behövas. Läs mer i INORs artikel om galvanisk isolering i industriella mätsignaler.

Signalisolatorer separerar fältet från styrsystemet

En signalisolator överför en analog signal mellan två elektriskt separerade kretsar. För en vanlig 4–20 mA-signal kan en passiv isolator användas när signalen endast behöver överföras och isoleras. Den behöver ingen separat matningsspänning utan tar sin energi från strömloopen.

En passiv isolator orsakar samtidigt ett spänningsfall, ofta omkring 2–3 V beroende på produkt. Det måste därför finnas tillräckligt med spänning i loopen för transmitter, kabel, isolator och PLC-ingång. En aktiv isolator har extern matning och kan användas när högre lastförmåga eller fler funktioner behövs. Skillnaderna beskrivs närmare i artikeln Passiv eller aktiv signalisolator?

Repeaters matar och isolerar transmittern

En repeater används ofta tillsammans med en 2-trådstransmitter. Den kan mata transmittern, läsa dess 4–20 mA-signal och överföra signalen vidare till styrsystemet med galvanisk isolering. En passiv repeater använder normalt matningen från PLC- eller DCS-sidan. En aktiv repeater har extern hjälpmatning och kan själv försörja transmittern.

Repeaters kan också användas när en aktiv utsignal ska anslutas till en aktiv PLC-ingång. I en sådan koppling försöker båda sidorna mata samma strömloop. Repeatern separerar matningarna och skapar en korrekt anslutning mellan utrustningarna. Om HART-kommunikation används behöver repeatern vara HART-transparent, så att kommunikationen kan passera genom isolationsbarriären.

Isolation transmitters kan även behandla signalen

En isolation transmitter, ibland kallad skiljeförstärkare eller isolation amplifier, används när signalen både behöver isoleras och behandlas. Enheten har normalt extern matning och separerar ingång, utgång och strömförsörjning från varandra.

Den kan exempelvis omvandla 0–10 V till 4–20 mA, skala ett signalområde eller filtrera bort högfrekvent brus. Filtrering kan ge ett stabilare mätvärde, men ett kraftigt filter gör också signalen långsammare. Filterinställningen behöver därför anpassas till hur snabbt temperaturen eller processen förändras. INOR samlar dessa produkter under isolatorer och skiljeförstärkare.

Placera isoleringen där den gör rätt arbete

När målet är att skydda PLC-ingången placeras isolatorn ofta i eller nära styrskåpet. Den inkommande fältkabeln ansluts då till isolatorns ingång och utgången kopplas vidare till PLC-systemet. På så sätt skapas en elektrisk gräns mellan fältinstallationen och styrsystemet.

Om en svag givarsignal störs längs en lång kabel kan signalomvandlingen i stället behöva ske närmare givaren. Ett termoelement ger exempelvis en betydligt lägre signalnivå än en 4–20 mA-transmitter. Genom att omvandla signalen nära mätpunkten minskar den sträcka där den känsliga givarsignalen behöver transporteras.

Kontrollera matning och signaltyp

Innan en isolator eller repeater väljs behöver man veta om sändaren och PLC-ingången är aktiva eller passiva. En aktiv enhet tillhandahåller matning, medan en passiv enhet behöver matas från en annan del av loopen. En felaktig kombination kan göra att loopen saknar matning eller får två matningskällor.

Man behöver också kontrollera signalområde, matningsspänning, PLC-ingångens last och isolatorns spänningsfall. Om HART används ska produkten vara anpassad för detta. För isolation transmitters behöver även svarstid, filtrering och eventuell signalomvandling tas med i valet.

Felsök mätkedjan steg för steg

När ett mätvärde är instabilt kan mätkedjan kontrolleras i följande ordning:

1. Jämför PLC-värdet med en separat mätning direkt vid transmittern.
2. Mät loopspänningen vid transmittern och vid styrsystemet.
3. Kontrollera om störningen uppstår när motorer, pumpar eller andra större laster startar.
4. Granska kabeldragning, skärmning och avståndet till kraftkablar.
5. Kontrollera om fältsidan och styrskåpet har olika jordpotential.
6. Testa signalvägen med galvanisk isolering och jämför resultatet.

Om signalen blir stabil när en isolator kopplas in pekar det ofta på en jordloop, common-mode-spänning eller annan ledningsbunden störning. Om problemet finns kvar behöver givare, transmitter, kablage och PLC-konfiguration kontrolleras vidare.

Vanliga fel vid installation

Ett vanligt fel är att ansluta en aktiv transmitter direkt till en aktiv PLC-ingång. Båda enheterna försöker då mata loopen. Resultatet kan bli ett felaktigt eller låst mätvärde. En repeater eller rätt typ av passiv ingång kan användas för att lösa anslutningen.

Ett annat fel är att montera en passiv isolator utan att kontrollera spänningsbudgeten. Loopen kan då fungera vid låg ström men få problem när signalen närmar sig 20 mA. Isoleringen kan också kringgås om fält- och systemsidan kopplas samman genom en gemensam nollpotential eller en felaktigt ansluten kabelskärm.

Så hänger skyddet ihop

PLC och styrsystem skyddas bäst genom att hela mätkedjan granskas som ett sammanhängande system. Kabeldragning, jordning, matning, signaltyp och störningskällor behöver bedömas tillsammans.

Signalisolatorer används för att separera fältutrustningen från styrsystemet. Repeaters används när transmittern behöver matas samtidigt som signalen isoleras. Isolation transmitters används när signalen även behöver omvandlas, skalas eller filtreras. Vid kraftiga transienter behöver dessa lösningar kombineras med rätt överspänningsskydd och en korrekt utförd installation.