De technische ondersteuning van IMI Sensors is ongeëvenaard. Jarenlange ervaring in applicatietechniek heeft technische tips opgeleverd om onderhoudsteams te helpen hun kritische machines te beschermen tegen ongeplande stilstand. Bekijk ze!
Inzicht in stroomuitgangssignalen - RMS, piek en ware piek
In procesbewakingstoepassingen waar een continu 24/7 signaal nodig is voor registratie en trending door een PLC, DSC of SCADA-systeem, is een triltransmitter met een constant 4-20mA uitgangssignaal ideaal. Maar wat stelt dat 4-20mA signaal precies voor? Omdat de basis van de meeste trillingszenders hetzelfde of een soortgelijk sensorelement is als in een typische versnellingsmeter, zet de zender de output intern om van een ruw spanningssignaal in een stroomsignaal. Tijdens deze omzetting kan de stroomoutput worden geschaald in termen van één van drie waarden:
- RMS (Root mean square)
- Piek
- Ware piek
Zoals hierboven vermeld, bestaat de kern van de meeste trillingszenders uit hetzelfde sensorelement als de kern van een versnellingsmeter. Dat element meet de trilling en geeft vervolgens een dynamische wisselspanning af die bovenop de DC-biaspanning van 8-12 VDC komt. Dat uitgangssignaal ondergaat dan een reeks elektronische bewerkingen voordat het uiteindelijk als een 4-20mA stroomsignaal wordt afgegeven.
- De DC-biaspanning is losgekoppeld van de AC-signaalspanning.
- Het meetbereik van het AC-spanningssignaal kan in versnelling blijven of het kan worden veranderd in snelheid via integratie of verplaatsing via dubbele integratie.
- De gegevens van het AC-signaal worden uitgefilterd op basis van filterinstellingen.
- Het wisselspanningssignaal wordt omgezet in een gelijkspanningssignaal.
- Het DC-spanningssignaal kan worden geschaald als verschillende minimum- en maximumwaarden voor het meetbereik beschikbaar zijn.
- Het gelijkspanningssignaal wordt omgezet in een 4-20 mA-stroomsignaal.
Het hierboven beschreven proces van signaalconditionering wordt hieronder geïllustreerd in figuur 1.
Binnen het hierboven beschreven signaalconditioneringsproces is de omzetting van het AC-spanningssignaal in een DC-spanningssignaal primair bepalend voor de schaling van het resulterende stroomsignaal.
Om dit AC naar DC conversieproces diepgaand te bekijken, beginnen we met een overzicht van wisselstroom (AC) en gelijkstroom (DC) spanningssignalen. Zie figuur 2.
- Wisselstroom (AC) is een elektrische stroom waarbij de elektrische lading periodiek van richting verandert.
- Gelijkstroom (DC) is een elektrische stroom waarbij de elektrische lading slechts in één richting stroomt.
Een AC-signaal omzetten in een DC-signaal is niet zo eenvoudig als het gemiddelde nemen van de afzonderlijke AC-signaalwaarden. Voor sinusgolven met gelijke positieve en negatieve halve cycli zou dit gemiddelde resulteren in een onwaardeerbare meting van nul. Om een bruikbaar resultaat te verkrijgen, wordt in plaats daarvan een gewogen gemiddelde berekend, de RMS-spanning (Root Mean Square) van het AC-signaal. De resulterende waarde is de equivalente DC-spanningsuitgang die dezelfde hoeveelheid vermogensdissipatie (d.w.z. warmte) in een resistieve belasting zou produceren als het overeenkomstige AC-spanningssignaal.
Om de RMS-spanning van een AC-signaal te berekenen:
- Verdeel één cyclus (d.w.z. één positieve en één negatieve halve cyclus) van de AC-golfvorm in vele segmenten, die elk klein genoeg zijn om een constante spanning gedurende de periode weer te geven. Zie figuur 3.
- Kwadrateer elk van die afzonderlijke constante spanningen. Deze kwadratuur van elke individuele spanning zet alle spanningen, ongeacht of ze oorspronkelijk positief of negatief waren, om in positieve waarden.
- Neem het gemiddelde van al die kwadraten.
- Neem de vierkantswortel van het gemiddelde.
Voor een eenvoudige sinusgolf is het berekeningsproces veel eenvoudiger dan hierboven beschreven, aangezien de golfvorm gelijke positieve en negatieve halve cycli heeft. Bijgevolg hebben de RMS-spanning en de piekspanningswaarden in de negatieve en positieve halve cycli consequent dezelfde amplitude. De piek-spanningsgegevens hebben consequent gelijke bijdragen van de positieve en negatieve halve cycli op de golfvorm. Zie figuur 4 voor een illustratie van het verband tussen RMS-spanning, piekspanning en piek-piekspanning.
De RMS-spanning (VRMS) kan worden berekend door de piekspanning (VP) te vermenigvuldigen met de vierkantswortel van twee. De berekening wordt hieronder in een formule uitgedrukt.
Uit de RMS-spanningswaarde kunnen zowel de piekspanning (VP) als de piekspanning (VP-P) worden berekend aan de hand van onderstaande vergelijkingen. Net als de bovenstaande RMS-spanningsvergelijking kunnen de onderstaande vergelijkingen alleen worden gebruikt als de golfvorm een sinusvormige golf is.
Als gevolg van de omzetting van AC naar DC met de RMS-methode (root mean square) zijn alle frequentiegegevens verloren gegaan en zijn de pieken van het AC-signaal volledig afgevlakt, ongeacht of het gelijkwaardige RMS- of piek DC-spanningssignaal (en vervolgens de stroom) wordt bekeken. Dit maakt het resulterende 4-20 mA-signaal ideaal voor langdurige procesbewaking, maar niet voor diepgaande analyse. Zie figuur 5 en 6 voor illustraties.
Voor toepassingen waarbij echte piekgegevens moeten worden bewaakt met een 4-20 mA-signaal, wordt het AC-spanningssignaal omgezet in een DC-spanningssignaal via het gelijkrichtingsproces in plaats van het RMS-proces. Het gelijkrichtingsproces zet alle negatieve halve cycli van de golfvorm om in positieve halve cycli van gelijke amplitude. De piekopvangfunctie bekijkt vervolgens alle positieve halve cycli gedurende een bepaalde tijdsperiode en vangt de hoogste amplitude op als de ware piekwaarde. Het hierboven beschreven signaalconditioneringsproces wordt hieronder geïllustreerd in figuur 7.
Een 4-20 mA-zender zet een spanningsuitgang van het versnellingsmetertype om in een stroomuitgang door middel van een elektronicaproces dat uit meerdere delen bestaat. Tijdens de AC naar DC spanningsomzetting worden alle frequentiegegevens uit het signaal verwijderd. Als gevolg daarvan kan de stroomuitgang niet worden gebruikt voor een diepgaande trillingsanalyse, maar is hij ideaal voor procesbewakingstoepassingen waarbij een continu 24/7 signaal nodig is voor registratie en trending door een PLC, DSC of SCADA-systeem.