Signalomvandlare

Vad är en signalomvandlare?

Signalomvandlare eller en temperatur transmitter som den ofta kallas i vår värld, är en enhet där man till ingången ansluter någon form av sensor. Signalen från sensorn behandlas i omvandlaren och skickas därefter till som utsignal för vidare hantering i ett överordnat styrsystem.

Beroende på typ av omvandlare är signalen antingen direkt analogt proportionell mot insignalen eller skickas vidare i digital form.

Signalbehandlingen av sensorsignalen i en omvandlare kan vara väldigt olika beroende av omvandlarens komplexitet, allt från en enkel analog förstärkning direkt omvandlad till ett strömvärde eller en spänning på utgångssidan, till en mer avancerad digital signalbehandling där det resulterade värdet skickas ut på en digital kommunikationsbuss av något slag.

Man pratar ofta om en ”temperatur transmitter” eftersom den vanligaste form av sensor är antingen ett så kalllat RTD motstånd, helt enkelt en temperturberoende resistor eller ett TC, termoelement, två olika metaller (trådar) sammansvetsade i den punkt man vill mäta en temperatur. I andra ändan av dessa trådar kan man mäta den spänning, EMK, som uppstår och på olika sätt är proportionell mot temperaturen.

Men en sensor kan vara mycket mer än så och man måste givetvis använda rätt sorts omvandlare till den avsedda sensorn. Här skall vi fokusera på omvandlare som i grunden är avsedda att mäta antingen resistans eller spänning.

Varför skall man använda en signalomvandlare?

Det finns flera skäl att välja att koppla en signalomvandlare mellan sin sensor och sitt styrsystem.

Men det absolut viktigaste skälet är att försäkra sig om en bra överförd signal från sin sensor. Om vi fokuserar på RTD och TC givare (sensor) så avger båda dessa väldigt små signaler och för att garantera en hög mätsäkerhet kopplar man företrädesvis dessa till in omvandlare som mäter och behandlar signalen för att därefter skicka den vidare på en robust kanal. Det är också viktigt att en omvandlare kan avgöra sensorns status och skick för att varna användaren om fel på sensorn.

Om vi tittar på ingången och med ett standard Pt100 element anslutet ändrar det sin resistans (lite generaliserat) med 0,3805 ohm per grad Celsius. Ett normalt krav från användare är att mätsignalen skall hålla en noggrannhet på ±0,1 °C. Detta innebär att en omvandlare skall hantera en upplösning på minst 38 mohm och i själva verket måst den vara ännu högre för att säkerställa noggrannheten.

På samma sätt kan man konstatera att ett TC element avger en väldigt liten spänning proportionell mot temperaturen där vissa typer har en så liten skillnad att upplösningen på en omvandlares ingång måst vara minst 2 uV.

Utöver dessa små signaler är oftast signalen inte fullständigt linjär mot temperaturen och måste därför signalbehandlas för att omvandlare skall kunna avge en fullständigt temperturlinjär utgångssignal.

Nedan visas olinjäriteten på ett standard Pt100 med α=0,03805.

På samma sätt krävs en temperaturlinjärisering av en olinjär sensor som visas på bilden nedan.

När man pratar om utsignalen så är syftet att skapa en robust signal som är störningstålig och på ett ekonomiskt sätt kan dras över en relativt lång sträcka. Till skillnad från sensorsignalen är den förstärkt och har ett mycket större arbetsområde. Typiska utsignaler i analog miljö är 0-20 eller 4-20 mA, 0-5 eller 1-5 V och 0-10 eller 2-10 V. Genom att använda någon av dessa standardsignaler är det enkelt att koppla dessa vidare till olika typer av system vilket i sin tur förenklar projekteringen av styrsystemen.

Förutom analoga utsignaler finns idag ett flertal olika digitala fältbussar som t.ex ProfiBus, ProfiNet, Fieldbus Foundation, Modbus, CAN, LIN, IO-Link och många fler. Men det absolut mest förekommande digitala informations protokoll är HART som är en överlagrad digital kommunikation på en strömslinga 4-20 mA mha av en frekvensmodulerad signal liknande den modemsignal som överlagras våra analoga telefonlinjer. Den modernaste standarden för detta är HART 7.

En omvandlare har ofta också en rad säkerhetsfunktioner för att övervaka såväl sensoranslutningen som den interna elektroniken och matningsspänning m.m. Även här finns lite olika standarder som omvandlarna följer och en av de vanligaste förkommande är den sk NAMUR standarden som härstammar från den tyska kemiindustrin. NAMUR är en sammanslutning av en rad företag och har idag över 150 medlemmar.

Vad är skillnaden mellan isolerade och icke isolerade omvandlare?

Skillnaden mellan en isolerad omvandlare och en icke isolerad omvandlare är att sensoringången är galvaniskt isolerad från utgången och alltså styrsystemet till vilken den är kopplad. Den galvaniska isolationen är ofta 500 VAC men vanligt förekommande är 1500 VAC och i vissa falla ända upp till 3750 VAC.

Fördelen med en isolerad omvandlare är elimineringen av icke önskvärda jordströmmar. Nedan finns en typisk bild på en TC installation och vad som kan hända med en icke isolerad omvandlare.

Isolationen i termoelementspetsen, RISO är ibland ganska låg pga av höga temperaturer eller små dimensioner på TC elementet.

Det som då uppstår är en icke önskvärd jordström, IErr, av varierande storlek beroende av situationen som uppstått. Jordströmmen som då flyter genom TC elementet medför ett spänningsfall över resistanseran RL1 och RL2 i TC ledarna. Den spänning som genereras kommer att påverka den av TC elementet genererade spänningen och kan orsaka ett märkbart mätfel.

Det är svårt att förutse och kalkylera med vilket fel den här situationen kan medföra men det är inte ovanligt att mätfelet kan uppgå till 5-10 % av mätspannet.

Om däremot en isolerad omvandlare används kommer jordströmmen att brytas genom isolationen och mätfelet försvinner.

Samma sak kan uppstå med en RTD sensor och bilden nedan visar motsvarande inkoppling av en Pt100 givare.

Isolatinen till jord, RISO är normalt väldigt hög i en fungerande givare, typiskt 50 till 500 MΩ. Men under vissa fall händer det att den interna isolationen av en RTD sensor kan reduceras dramatiskt. Anledningen till detta kan var skador orsakade av vibrationer, övertemperatur eller orenheter som tränger in i sensorn.

Beroende av värdet på RISO kommer en jordström IErr att uppstå som påverkar mätströmmen Im (Kirchhoffs lag) och genererar ett mätfel.

Återigen löser en isolerad omvandlare detta problem genom att bryta jordströmmen i den interna isoleringen som finns i omvandlaren.

En icke isolerad omvandlare kan vara alldeles tillräcklig däremot när temperturområdet som skall mätas är relativt litet och risken för jordströmmar i det överliggande styrsystemet kan anses obefintlig. En oisolerad omvandlare är ofta också ett mycket billigare alternativ men samtidigt medför det en större risk för mätfel.

Så slutsatsen är att för ett säkert mätresultat bör en isolerad omvandlare användas.