Analog Sinyal Tiplerinin Birbirlerine Dönüşümleri
Home » Otomasyon Destek » Analog Sinyal Tiplerinin Birbirlerine Dönüşümü.
Endüstri de saha’da oluşan sıcaklık,basınç,mesafe ve benzeri bir çok değer analogolarak adlandırılır. Konuyu daha iyi açıklayabilmek için bir kaç örnek üzerinden devam edelim. ilk olarak en yaygın olarak kullanılan sıcaklık okuma konusundan başlayalım.
Sıcaklık sensörleri: Genel olarak üç kategoriye ayrılırlar. 1.Direnç ölçümü, 2.Voltaj ölçümü ,3.entegre devre.
1.Direnç Ölçümü: Pt100, Pt500, Pt1000, Ntc, Ptc olarak 4 ana modeli vardır. Bu elemanlar sıcaklığa göre direnç değerlerini değiştirirler. Fakat bu değişim %100 linear değildir. Ptc ve Ntc’de ise linearlikten bahsedilemez bile. Yinede en sağlıklı ölçüm bu elemanlar ile yapılır. En yaygın kullanılanı Pt100’dür. En hassas olanı Pt1000’dir. Hassasiyeti direnç değerinin pt100’ün 10 katı olması ve değişiminde 10 katı olmasından kaynaklanıyor. Böylece sıcaklığa bağlı değişim daha büyük olmakta ve okuyucu modül farkı daha iyi algılamaktadır. Linearizasyon sorunu ise yukarıdaki bölümde açıkladığımız gibi software’dan giderilmektedir.
Bu elemanları plc sistemine uzun kablolar ile bağlayamazsınız. Zira çok fazla elektrik gürültüsü oluşur ve sağlıklı bir okuma yapamazsınız. Diğer taraftan plc modüllerinin bazıları pt100 okumak içindir, Bazıları ise direnç okur. Piyasada direnç modülleri daha ucuz oldukları için kullanılır. Fakat bu modülde linearizasyon programı yoktur. Pt100 için olan modülde ise program otomatik olarak linearize fonksiyonunu çalıştırır.Bu sebeplerden dolayı pt100 problarının hemen üzerine konvertor monte edilir. Konvertörün girişi Pt100 Çıkışı ise 4-20 ma’dir ve linearize programı vardır. Elektrik gürültüsünün az olduğu depo,sera gibi yerlerde konvertör olmadanda bu direnç elemanları kullanılabilir. Mesafenin uzaması ile kablo direnci hatalı ölçüme sebep olacaktır. Bu hata iki şekilde yok edilebilir. 3-4 kablolu bağlantı veya yerinde kalibrasyon.4 kablolu bağlantıda otomasyon cihazı kablo direncini her iki hatta’da ölçecek ve hesaplarken bu direnci toplam dirençten düşecektir. 3 kablolu bağlantıda ise okunan kablo direnci ikiyle çarpılarak pt100 direncinden çıkartılır. Bu yöntem hatanın önemli olduğu yerlerde kullanılmaz zira kablonun damarlarından birinde gevşek bağlantı olabilir ve okunan değerin yanlış olmasına sebep olabilir. Yerinde kalibrasyon yönteminde ise pt100’yerine simulatör bağlanılır ve simulatör üzerinden farklı sıcaklık değerleri verilip otomasyon cihazından okunması sağlanılır. Verilen ve okunan değerler karşılaştırılır, hata otomasyon cihazının kalibrasyonu ile giderilir.
Bu direnç elemanları çok düşük akımla çalışırlar üzerinden geçen akım 2 mikro amper seviyesinde olmalıdır. Buda pt100 için yaklaşık 200 mv ile sağlanılır. Bu kadar düşük bir akımın olması elektrik gürültülerinde ne kadar hassas olduğunu açıklamaktadır.
2.Termokupul: J,K,T,E,B,R,S,N en çok kullanılan tipleri’dir. İki farklı maddeden üretilen kablonun birbirine kaynatılması ile ölçüm noktası elde edilir. Bu ölçüm noktası sıcaklık değerine ve termokupul tipine göre 60 mv’a kadar elektrik üretirler. Termokupullar kalın kablolu ve kolay kolay arıza yapmayan elemanlardır. Fiyatlarıda çok ucuzdur. Zira sadece kablodan ibarettirler. Ayrıca çok yüksek sıcaklıklara dayanabilirler. Düşük sıcaklıklarda düzgün ölçüm yapmak mümkün olmadığından dolayı ,elektrik gürültülerine karşı pt100’lerden daha dayanıksız oldukları için ve kalibrasyon güçlüğünden dolayı sıcaklık ölçümünde ancak ikinci sırayı alırlar. Bununla beraber ucuzluğu ve yüksek sıcaklıklara dayanması sebebiyle bazı kullanım alanlarında alternatifsizdir.
Termokupulların bir dezavantajı’da ek yapılan bölgelerinde termokupul gibi çalışarak hatalı okumaya sebep olmasıdır. Bundan dolayı bazı cihazlarda sıcak nokta kompanzasyonu bulunmaktadır. Termokupulların kalibrasyonu biraz daha karmaşık ve güçtür. En yaygın kalibrasyon yöntemi karşılaştırma tekniğidir. Bu yöntemde basitçe şöyle açıklanabilir. Biri sıcak biri soğuk iki kap içerisine termokupul ve doğruluğundan emin olduğumuz bir sıcaklık ölçer daldırılır ve okunanan değerler karşılaştırılır. Bu yöntem ile maksimum 100 dereceye kadar doğruluk sağlana bilir. Oysa termokupullar daha yüksek sıcaklıklar için kullanılır. Yapılması gereken tek kalibrasyon yöntemi termokupulu konvertörlü kullanmak ve kalibrasyon ofislerine göndererek fırınlarda yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılması ile karşılaştırma tekniği kullanılarak kalibrasyon yapılması olacaktır. Böylece kalibrasyon bitmiş değildir. Evet sensör ve konvertör kalibre edilmiştir. Ancak Plc modülü doğru ölçüp ölçmediği test edilip gerekirse onunda programdan kalibre edilmesi gereklidir. Simulatör ile plc girişine 4-20 ma uygulanır ve simulatör ile plc ekranın arasındaki değerler karşılaştırılır. Ancak bu aşamadan sonra kalibrasyonu tamamlamış oluruz. Bu amaçla ürettiğimiz simulatörü buraya tıklayarak inceleyebilirsiniz.
3.Entegre devre: Yarı iletken devre üreticileri sıcaklık okumada sorunları keşfetmiş ve cözüm üretmişlerdir. Genelde 150 dereceye kadar üretilen transistör benzeri elemanlardır. Besleme voltajı olarak genelde 5 volt verilir ve çıkışlarından linear olarak sıcaklık değerine göre bir voltaj çıkartırlar. Hem ucuz hemde elektrik gürültülerine karşı daha dayanıklı olan bu devrelerin yaygın olarak kullanılmaması ve standart ürünler içerisinde yer almamaları endüstriyel olarak kullanımını engellemiştir. Daha çok termometre ve ev cihazlarında kullanılır. Endüstriyel ortamlarda ise modüllerin iç sıcaklığını ölçmekte kullanılır. Zira hiç birek donanıma ihtiyaç duymadan direkt olarak sıcaklık bilgisini mikro işlemciye iletebilirler. En yaygın kullanılan lm35’dir.
Basınç sensörleri: Kullanım alanları,maksimum basınçları ve çıkış tipleri ile sınıflandırılırlar. Bizim konumuz elektriksel yönleri olduğundan çıkış tiplerinden başlayalım. 0-10 volt veya 4-20 ma tipleri mevcuttur. Eski modellerde 0-20 ma sensörlerde vardır. Bu analog çıkışların özellikleri bölüm sonunda detaylı olarak incelenecektir. Kalibrasyon işlemi ise iki aşamalıdır. 1.aşama sensörün kalibrasyonu 2.aşama otomasyon cihazının kalibrasyonudur. Yerinde kalibrasyon yönteminde her iki aşama aynı anda yapılmış olur.
Yerinde kalibrasyon: Karşılaştırma yöntemi ile kalibre edilir. 0-100 barlık bir transmitter yanına 0-100 barlık bir manometre bağlanılır. Sisteme 0’dan 100 bar’a kadar basınç kademe kademe uygulanır. Bu esnada otomasyon cihazı ve manometreden basınç değerleri kaydedilir. Test sonunda değerler karşılaştırılarak kalibrasyon yapılır.
İki aşamalı kalibrasyon: Bu sistemde sensör kalibrasyon ofislerinde kalibre edilir. Otomasyon cihazı analog girişi ise henüz kalibre edilmemiştir.Simulatör ile plc girişine 4-20 ma uygulanır ve simulatör ile plc ekranın arasındaki değerler karşılaştırılır. Ancak bu aşamadan sonra kalibrasyonu tamamlamış oluruz. Bazı sistemlerde yerinde kalibrasyon uygulanamaz bu durumda iki aşamalı kalibrasyon yapılmak zorundadır.
Mesafe ölçümü: Mesafelerin ölçümü en fazla sensör çeşitliliğinin bulunduğu alandır. Ultrasonik,Lazer,Encoder,Optik ve analog cetveller bunlardan bazılarıdır. Optik ve encoder dijital olarak çalıştığından dolayı kalibrasyona gerek yoktur. Diğerleri ise okudukları mesafe bilgileri sonucunda analog çıkış vermektedirler. Bu elemanlar kalibre edilmelidir. Kalibrasyon yöntemi basınç sensörleri ile neredeyse aynıdır. Tek farkı karşılaştırmada kullanılacak elemanın mesafe ölçen metre,kumpas gibi elemanlar olmasıdır. Her firmada hassas mesafe ölçen elemanlar bulunmasından dolayı kalibrasyon ofislerine başvurmak gerekli değildir.
Analog sinyaller: Yazımızda analog sinyalleri oluşturan elemanlar hakkında bilgi verdikten sonra asıl konumuz olan analog sinyaller ve dönüşümlerine geçebiliriz. Genel olarak iki kategoriye ayrılırlar voltaj ve akım.
Voltaj: En yaygın kullanımı 0-10 volt olmakla beraber “–10 +10 v” , “-5v +5v” , “0v-5v”,”0-100mv”,”0-500mv” gibi bir çok tipi vardır. Bu analog sinyali üreten kaynak mutlaka ayrıca besleme gücüne ihtiyacı vardır. Örneğin 0-24v besleme voltajı ve 0-10 çıkış voltajı olan bir basınç transmitteri. 0-10 volt çıkışı üreten transmitterin maksimum akım sınırlıdır. Genelde 40 ma’den düşüktür.
0-10 volt okuyan otomasyon cihazları giriş direnci çok yüksektir. 10 mohm civarındadır. Bazı modüllerde düşük direnç değerleri olsada bu işin doğasına aykırıdır. Çünkü aynı trasnmitter bir çok cihaza paraler bağlanılabilir. Direnç değeri düşük olan modül fazla akım çekeceğinden paraler bağlanabilcek modül sayısını azaltır. Ve tranmitterden yüksek akım çeker. Oysa üretici bu transmitterin 0-10 volt çıkışlı yapmakla düşük akım çekileceğini hesaplamıştır.
Akım: İlk uygulamalar 0-20 ma’dir. Bu modellerde mutlaka ayrıca besleme verilmelidir. Teknolojinin ilerlemesi ile 4-20 ma olarak değişim geçirmiştir. Minumum akımın 4 mili ampere çıkması ile ayrıca besleme verme zorunluluğu ortadan kalkmıştır. 4 ma’lik akım sensörün çalışmasına yetmektedir. Bu sistemde genelde 8-32 volt voltaj sensör üzerine yollanır. Ölçtüğü değere göre kendi direncini değiştirerek karşılık gelen akımı geçirir. Sensöre seri bağlanan otomasyon cihazındanda aynı akım geçmiş olur. Otomasyon cihazının direnci son derece düşüktür. Genelde 5 ohm civarındadır. Böylece bir çok otomasyon cihazı aynı bilgiyi seri olarak okuyabilir. Bazı Otomasyon cihazlarının iç direnci yüksektir. Bu durumda seri bağlanan modül sayısı azalacaktır. Sensör ölçümüne karşılık gelen akımı geçirebilmek için kendi iç direncini sürekli değiştirmektedir. Ancak bir noktadan sonra direncini düşüremeyecektir.Zira çalışması için gerekli voltajı üzerinde tutmalıdır. Örneğin 24 volt ile beslenen bir transmitter 20 ma akım geçirebilmesi için ,otomasyon cihazı ve sensör direnç toplamı 1200 ohm’u geçmemelidir. Teorik olarak doğru olsada pratikte böyle değildir. Bu ancak ideal bir sensör olması durumunda mümkündür. Genelde Otomasyon cihazı maksimum direnci 600 ohm olmalıdır. İdeali ise 5 ohm civarında olmasıdır.
Analog sinyal dönüşümleri: Bir çok uygulamada 0-10v 4-20 ma’e veya tersi şeklinde dönüşümlere ihtiyaç duyulur. Aslında son derece pratik yollarla bu dönüşüm sağlanabilir. Ancak beraberinde bazı sorunlarda getirebilir.Bu bölümde bunları inceleyeceğiz.4-20ma -> 0-10v: 4-20 ma akımı 500 ohm direnç üzerinden dolaştırırsak direnç üzerinde 4ma’de = 2 volt. 20ma’de = 10 volt voltaj elde ederiz. Bu elde ettiğimiz voltajı otomasyon cihazı analog girişine bağlayabiliriz. Uygun bir kalibrasyon ile sorunsuz çalışacaktır. Böyle bir bağlantıda 4-20 ma hattına başka otomasyon cihazı bağlanacaksa ilk önce akım o cihazdan dolaştırılmalı ve son işlem olarak 500 ohm direnç üzerinden gnd’ye ulaşmalıdır. Aynı bilgi bir çok 0-10 volt alıcısının paraler bağlanması ile paylaşılabilir. Unutulmaması gereken diğer bir hususta paraler bağlandığında 500 ohm’a paraler olacak dirençler artacak olmasıdır. Bağlanan cihazların içi dirençleri yüksek ise sorun değil ancak düşük olduğunda 20 ma’e karşılık 10 volt oluşamayacak tır. Kalibrasyon buna göre yapılmalıdır.
0-10v -> 4-20ma: 0-10 voltu 4-20 ma’e basitçe çevirmek mümkün değildir, zira sensör voltajı 2volt’a erişinceye kadar 4 ma’in altında bir akım elde edilecektir. Ancak 0-20 ma’e tam olarak çevirebilirsiniz.Bir çok 4-20 ma okuyan analog modül 0-20 ma’ide okur. Bu uygulamada ilk önce otomasyon cihazı iç direncini ölçmelisiniz. Örneğin 5 ohm direnci olan bir modül’e 495 ohm seri olarak bir direnç bağlarsanız 10 volt’ta 20ma akım elde edersiniz. Aynı bilgi birden fazla modülden okunmak istenilirse 0-volt kısmında paraler 0-20 ma kısmında seri bağlanmalıdır. Dikkat edilecek husus yine cihazların iç dirençleridir. =-10 volt kısmında iç dirençler yüksek Ma kısmında ise düşük olmalıdır. Basitçe ohm kanunu ile hesaplayabilirsiniz. A = V / R , V = A x R , R = V / A Analog sinyal filitreleri: Buraya kadar anlattığımız tüm analog sinyaller içerisinde elektrik gürültülerine karşı en dayanıklı sistem “4-20 ma” dir. Diğerleri elektrik gürültüsünün fazla olduğu ortamlarda mutlaka gürültüden etkilenir. Analog sinyallerin filitrelenmesinde en büyük sorun filitre iyi olduğunda okuma hızı düşecek olmasıdır. Bu sebeple bir çok otomasyon cihaz üreticisi software’dan filitre seçeneklerini değiştirebilme imkanı vermiştir. Yinede bazı durumlarda yeterli gelmemektedir. Software filitreleri hakkında daha fazla bilgi için loadcell uygulama notlarına bakınız.
Bu bölümde anlatmak istediğimiz RC filitre olarak bilinen sistemdir. İlk olarak voltaj uygulamasının filitre edilmesini anlatacağım. Voltaj okuyan analog modüllerin iç direnci yüksektir (10 mohm) modüle seri olarak R (direnç) Paraler olarak C(kondansatör) takılmalıdır. Direnç değeri ve kondansatör değeri arttıkça filitre kapasitesi’de artacaktır. Fakat okuma hızı düşecektir. Sistem şu şekilde çalışır. Transmitter çıkış voltajını 5 volt yaptı,direnç üzerinden geçen akım kondansatörü şarj eder şarj tamamlandığında kondansatöre paraler analog input modülüde 5 volt olarak okur, Ancak şarj tamamlanana kadar voltaj 0 dan 5 volt’a rampalı bir şekilde yükselir. Direnç olmasa veya değeri çok düşük olsa kondansatör çok hızlı şarj olacaktır ve filitre yapamayacaktır. Aynı şekilde kondansatör düşük olsa çok hızlı şarj olacak ve filitre yapamayacaktır. Büyük olduklarında ise çok değer çok yavaş 5 volt’a ulaşacak ve okuma yavaş olucaktır. Transmitter’in voltajı azaltması durumunda ise aynı işlem ters olarak gerçekleşecektir.Bu filitre sistemi analog input modülü içerisinde mevcuttur. Fakat plc genel kullanıma göre yapıldığından dolayı direnç ve kondansatör değerleri düşüktür. Filitreyi artırmak isteyenler için benzer işlem software’dan yapılmaktadır. Fakat gürültünün çok fazla olduğu yerlerde buda yeterli gelmemektedir.
4-20 veya 0-20 ma olduğu durumlarda ise gürültü elektriksel olarak oluşamadığından dolayı software’dan filitre yapmak yeterli olacaktır. Yeterli olmadığı durumda aynı filitre sistemi uygulanabilir fakat çok etkili değildir. Ma içinde RC filitre direnç seri kondansatör paraler olmalıdır.