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計裝豆知識 > 關於信號變換器

產品說明

日文-計裝一詞,是指生產工廠內,安裝用於操作量測與製程控制的儀器設備。

相關儀器信號連接使用時有很多術語及現場技術,但您可能找不到人可以問。

請點擊相關標題,即可展開/收合相關詳細說明。能麒企業(股)公司 身為日本M-SYSTEM技研代理商,希望相關說明有助於負責系統設計規劃或現場維護的使用者。

內容將陸續更新,敬請期待與追蹤。

 

 

 

1. 信號隔離器的必要性? /2002.07

        Isolator指的就是儀表信號的隔離器,具有直流輸入信號與輸出信號間隔離(數10MΩ以上/約DC500V)機能的部品。而最近一般的隔離器因為輸入信號與電源之間及輸出信號與電源之間皆有隔離,所以也被稱為3方向隔離機能。

 

        隔離器在儀表系統中、1) 防止信號接地回路旁通、2) 設備的保護、3) 雜訊影響的降低、4) 不同設備間的信號交換的分界 等目的被廣泛使用中。在此、是隔離器的必要性(效果)、在上述 1)的事例描述説明。而、隔離器的機能不論是在信號變換器或內含在遠端(Remote) I/O都具有相同的效果。

防止接地回路旁通的對策(1)

        圖1、將同一信號(DC4~20mA)串聯連接輸入到2台計測儀表的使用例。單一信號源輸入相同信號到儀表1、2時,通常採用這樣的連接方式。在此,若任一台儀表輸入為浮動(直流沒有直接接地)狀態時將不會有任何問題。但、如果2台的負電端子側皆有被接地時(為了安定輸入信號對地之間電位,大多會使用這種連接方式)、將會成為圖1中表示的等值電路,將會產生與接地旁通的回路電流。依此結果,下方儀表2的輸入將會被旁通,所以信號將沒有輸入到儀表2。

 

        上述現象,信號源與任一方儀表、或兩個儀表間插入隔離器,就可因直流信號隔離而回避。(圖2參照)。

 

防止接地回路旁通的對策(2)

        下面的例子中信號源有2個,同時連接到可多通道輸入的設備(例如PLC或電腦的輸入介面卡)(圖3參照)。通道編號1 的電路如前例一樣,被串聯連接到另一個計測儀表A。兩個信號源的負電端子側也因接地變成同電位。

        在這裡,如果通道1與通道2為個別獨立的電路,負電端子端因互相隔離而不會有任何問題。但是,具有多通道輸入的設備,各輸入的負電端子內部連接如虛線般,多為全部共通的電位(COM)。這時,將成為圖3中所示的等值電路,發生電流的接地回路現象,往通道編號1連接的儀表A的信號將被旁通 。

 

        上述的現象,如同前例一樣在通道1或通道2 任一方或雙方的電路上插入隔離器,就可輕易的避開這個問題。在本例中多通道輸入設備中,將各通道間互相隔離也稱為通道間的隔離。

 

 

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2. 高速應答型變換器比較高級嗎? /1995.01

變換器的應答時間

    M-System技研變換器的應答時間主要有三種類型。

(1)一  般:0.3~0.6s(0 → 90%)

(2)高 速 用:約25ms(0 → 90%)

(3)超高速用:約500μs(0 → 90%)

 

應答時間的選擇迷惘

         通常,使用(1),但是在可以以相同格式選擇(1)和(2)的型號的情況下,可能會誤解“高速產品是高級產品”而選擇(2)。

 

        但是,如果不做任何準備就選擇了高速版本(2),則會造成麻煩。例如,轉換器的輸出信號可能會跳動,造成不知道測量的實際信號。在使用者反應“變換器異常”之後進行調查的結果,經常發現原因是“使用者的應答時間選擇錯誤”。

 

選用(1)一般應答時間的原因

        變換器的入力配線端,在配線的中間混入了電源頻率雜訊干擾。(1)一般應答時間的變換器具有內建的濾波電路,可以消除電源頻率的雜訊干擾。濾波器機能越強,消除電源頻率上雜訊干擾的能力就越大,但是相對地對信號的應答時間就變慢。

 

        考慮到信號應答時間和濾波器對電源頻率的影響,選擇的應答時間請選擇0.3~0.6s(0→90%)。

 

選用(2)高速應答時間時注意事項

        如果需要大約25ms(0→90%)的應答時間,則需要注意入力佈線。如圖1所示,在這種情況下,應答時間與電源的瞬時電壓的變化率大約相同,因此,基本上不可能用濾波電路消除雜訊干擾。為了避免在入力配線的中間混入雜訊干擾,必須充分注意佈線方式。

    主要注意事項如下:

① 佈線應遠離高壓、大電流的電源配線。

② 專用線槽/配管佈線。

③使用帶有隔離網的雙絞線。

 

 

對絞線的效果

        將兩根導線以25mm以下的間距對絞的“雙絞線”中,電磁感應干擾的消除率可為普通電線(CVV等)的1/10左右。如果將其放入金屬專用導管中時,則可減少為1/20左右。

 

使用超高速用變換器時

        與高速用相比,有必要更加注意雜訊干擾。

 

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3. 超高速隔離器? /2005.09

隔離器的機能

        隔離器在與儀表間的信號隔離裝置,是入力信號和出力信號之間的直流隔離機能的變換器。由於信號是隔離的,因此即使入力信號和出力信號間有電位差,仍可以準確傳送直流信號的機能。隔離器的主要用途:

• 信號接地回路旁通的防止

• 保護設備

• 抑制現場配線側進來的雜訊干擾

• 使信號兩點接地

• 連接設備間進行故障隔離所需的責任分界點(信號隔離點)

 

        儘管具有上述優點,但當處理高速變化的信號時,隔離器的應答時間會導致信號傳輸延遲的缺點。

 

變換器的應答時間

        M-System技研變換器的應答時間主要有三種類型。

(1)一  般:0.3~0.6s(0 → 90%)

(2)高 速 用:約25ms(0 → 90%)

(3)超高速用:約180~500μs(0 → 90%)

 

        但是在可以以相同格式選擇(1)和(2)的型號的情況下,可能會誤解“高速產品是高級產品”而選擇(2)。則可能因雜訊干擾的混入,發生現場問題,請務必注意。

 

        如果選擇一般用應答時間變換器(1),則可以透過濾波器機能,將50Hz的電源雜訊干擾減少到大約1/40。通常,使用變換器的的類比信號在短時間內不會急遽變化,在大多數情況下可以視為恆定值。另外,溫度控制中的溫度信號也幾乎不會在短時間內變化,即使變化其變化速度也很慢,因此可以使用一般用變換器即可。

 

        如果選擇(2)的高速(約25ms)變換器,則50Hz的電源雜訊干擾僅減少約1/3。另外,如果在(3)中選擇了超高速(180μs)轉換器,則50 Hz的電源雜訊干擾將完全不會減少。隨著應答時間變短,濾波器功能變弱,因此,在信號和電源佈線中必須格外小心,以防止雜訊干擾進入。

 

        圖1顯示使用三種不同應答時間的隔離器時的輸出信號。如果原始信號高速變化時,則標準應答一般用變換器不會反應輸出原始信號的波形。因此,當輸入信號高速變化時,需要高速或超高速用的變換器。

 

超高速隔離器的必要性

        近年來,出於危機管理和設備維護管理的目的,越來越多的機會來測量快速變化的類比信號,例如軸承振動測量和分析,汽車振動分析以及沖床壓力曲線管理。

 

        振動分析需要測量包括音波範圍在內的振動,而不是常規的低頻信號。即使使用(3)中的超高速(180μs)變換器,由於濾波器對2 kHz信號衰減多達30%,也會發生無法執行精確測量的問題。

 

        為了解決此問題,M-System技研開發了一種能夠以更高速度應答的隔離器(型號:M2VF2)。

● 超高速隔離器(型號:M2VF2)的應答時間

  • 90%應答 :約30μs(0→90%)

  (• 63%應答 :約13μs(0→63%))

  (• 頻率帶:15kHz(−3dB))

 

    

 

 

 

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4. 免電源的隔離器? /1996.09

    隔離器也稱為直流隔離變換器,即使入力信號和出力信號的電位不同,也同樣具有準確傳送直流信號的機能。隔離器的主要用途是:

• 盤內信號接地回路的防止

• 使信號可 2點接地

• 抑制從現場配線側進入的雜訊干擾

 

免電源的隔離器基本上是4~20mA直流輸入

        通常隔離器需要使用電源來讓隔離電路作動,但是M-System技研的“免電源的隔離器”不需要電源配線。因為電源可從入力信號中取得。

 

        免電源隔離器,使用一種消耗極少電力的隔離電路,因此可從入力信號中取得所需電源。但是,為了達到免電源隔離器的要求,入力信號被限制為4~20mA DC或10~50mA DC(圖1)。

 

        從M-UNIT系列以後的開發的轉換器,皆具有免電源隔離器。

 

免電源的隔離器的入出力種類

 

入力信號 出力信號
4~20 mA DC 1~5 V DC
4~20 mA DC
10~50 mA DC 1~5 V DC
4~20 mA DC

 

 

 

免電源隔離器的好處

不需要配電盤內電源配線

不需要電源接線、電源開關、保險絲等。

 

省空間

        例如使用H-UNIT系列免電源隔離器(型號:HSN),2ch型安裝空間寬度僅為25 mm。換句話說,一個傳統的插座(Plugin)式變換器寬度50 mm的空間,可以容納安裝4ch的隔離器(圖2)。

 

降低配電盤內的總成本

免電源隔離器的價格較低,且安裝空間較小,,省掉相關電源配線所需的材料、配線工時及維護成本,因此可以大幅降低配電盤內總成本。

 

 

 

 

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5. 免電源的2 線式變換器? /1996.10

2線式傳送器因為可以從電流輸出信號中取得用於信號放大器的電源,進而省去電源的配線。隨著電子式製程控制儀器的發展,差壓傳送器首先採用了2線式傳輸方式。差壓傳送器因為一般散佈在大型工廠各個現場,省去電源配線就可節省大量製程控制成本。如今,使用2線式傳送器可支援熱電偶、白金測溫棒、mV、脈波、荷重元、CT和PT等各種輸入信號。下一代在現場使用的數位通信傳送方式也有使用2線式方式,在信號線上同時傳送電源。

 

 

2線式傳送方式的原理

圖1所示為2線式傳送方法的等效電路(等效電路是已替換為容易瞭解原理的簡單電路)。

 

電路中,直流電源供應器向電路施加24V DC的穩定電壓,2線式傳送器與負載阻抗(接收設備的入力阻抗為250Ω)串聯連接。在此電路中 2線式傳送器本身的入力信號(在差壓傳送器的情況下為差壓)與4~20 mA DC的輸出信號成正比,變化在電路中的內部阻抗。

 

從不同的角度來看,2線式傳送器“本身的壓降V2 ”等同是“負載阻抗的壓降V1 ”與“電源電壓24 V”之間的差。

 

 

 

容許負載阻抗

接下來,要考慮在該電路中可以連接多少歐姆的負載電阻。2線式傳送器需要電壓來驅動其內部電路。例如,M-System 技研的荷重元信號變換器(型號:BLC)需要13V。

 

圖1中,24V的電源電壓減去2線式傳送器所需的最小驅動電壓13V,此時負載阻抗可允許的壓降即為電壓11V。在該電路中,當負載電流為20mA時,壓降11V上的電阻值為
11V÷20mA =550Ω,該值就是允許的最大負載阻抗。

 

由於2線式傳送器所需的最小驅動電壓因型號而不同,因此在使用前必須確認製造廠商的規格。

 

圖1的範例中,DC電源的供給電壓為24V DC,但是大多數2線式傳送器可以使用高達45V以上的電壓。

 

 

配電器(Distributor)

配電器原型是配電板(分配器),其目的是使用單個直流電源驅動多個2線式傳送器。現今的配電器除了具有基本的直流電源機能,也可以同時處理信號的隔離、平方根及線性化等運算。

 

 

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6. 關於2 線式變換器 /2006.12

2線式變換器是將信號配線做為變換器驅動的電源,省去專用的電源配線的變換器。

 

2線式變換器首先使用做為差壓傳送器。差壓傳送器因為一般散佈在大型工廠各個現場,省去電源配線就可節省大量製程控制安裝成本。

 

與4線式變換器不同,2線式變換器由於不需要變換器電源的配線,因此可以顯著降低配線成本。

 

例如,在室外有多個儲罐的儲存槽中,這些儲存槽通常分散在沒有電源的地方,在這種情況下,就可以使用不需要單獨電源的2線式變換器。

 

2線式變換器的原理

       2線式變感器的接線如圖1所示。

 

信號回路上會有DC4~20mA的信號流動。2線式變換器在信號為0%時會有4mA DC電流。當信號為100%時,2線式變換器會將16mA加到對應於0%信號的4mA,成為20mA電流在信號回路內流動。

 

2線式變換器是變換器本身的入力信號與DC4~20mA的出力信號成正比例在內部進行控制。

 

2線式變器有自己的壓降V1。因此,圖1所示的信號回路中的受信阻抗最大值為(DC24V-V1/20mA。

 

 

2線式變換器的信號為直流電流

使用熟悉的DC電流信號(DC4至20mA)做為2線式變換器的信號。

 

不可忽視的事實是,即使在電力設備經常會產生較大干擾電壓的情況下,DC4~20mA信號也可以非常穩定地傳送。

 

由於2線式傳送器所需的最小驅動電壓因型號而不同,因此在使用前必須確認製造廠商的規格。

 

圖1中的2線式變換器的出力端子向變換器內部看時,阻抗值為1MΩ以上。因此,當雜訊干擾電壓為10V,流過受信阻抗的電流I 為 I (A)= 10 (V) / 10(Ω) = 10-5 (A) = 0.01mA,相對於20mA僅會影響1/2000 ,這是2線式變換器的優勢。

 

 

2線式變換器的應用

2線式傳送器最早採用於差壓傳用器,現在則已經是可以支援熱電偶、白金測溫棒、mV、脈波、荷重元、CT和PT等各種輸入信號的2線式傳送器。

 

熱電偶使用時,可在現場安裝兩線式變換器,利用銅線來代替昂貴的熱電偶補償導線配線到控制盤。

 

此外,還提供多種工作溫度範圍為-40至85°C的2線式變換器,得以適用於現場的惡劣環境。

 

 

現場使用的2線式變換器

如上述所介紹的2線式變換器大多使用於室外有多個儲存槽的儲存場所。因此,需要支援現場型設備所需的各種性能。

 

首先,由於它是在戶外或在接近戶外條件的環境中使用,因此需要可適用寬廣的工作溫度範圍。

 

例如,M-SYSTEM技研現場型兩線式泛用溫度變換器(型號:27HU,圖2)可使用的溫度範圍為-40〜85 °C,同樣機能控制室安裝型的直流輸入變換器(型號:M2VS)溫度範圍為-5〜55°C。

 

透過這種方式,設計和製造了2線式變換器以承受惡劣的溫度環境。

 

此外,在戶外使用時,可能要將其安裝在暴露於風雨中或粉塵的環境,也有可能要求符合IEC60529的IP65和NEMA250 Type 4防護等級。

 

 

當安裝在諸如裝滿易燃液體的油罐場的現場時,預期將不僅暴露在不可燃及易爆環境中,在許多情況下需要防爆認證的應用。

 

可以在具有最高爆炸性環境的0級危險區域(表示爆炸性氣體等級最高的危險區域)中使用的電子產品僅限於已獲得本質安全和防爆認證的產品(本質安全防爆是即使在發生特定故障時也不會引起爆炸的防爆方法)。

 

在上述儲罐場的使用例中,也有只將傳感器安裝在0級危險場所,而變換器及安全保持器(防止危險能量進入傳感器側的裝置)或含安全保持器的變換器安裝在安全場所的方式。但是,如果0級危險場所和安全場所相距較遠,則必須進行較長距離的傳感器佈線。

 

而,使用熱電偶測量溫度的應用中,長距離佈線所使用的溫度補償線,又存在著溫度補償線價格昂貴的問題。

 

此外,很難將電源線拉入0級危險場所。因為電路的電力受本質安全防爆原理的限制。

 

基於上述原因,兩線式變換器在成本和安全性方面具有優勢,因為它可以在0級危險區域中使用。

 

 

結合2線式變換器的配電器

本質安全防爆2線式變換器需要安全保持器及配電器才能動作。

配電器相當是圖3中所示的DC電源和受信阻抗,用於向2線式變換器供電並取得電流信號。

 

 

 M-SYSTEM提供具備安全保持器(Galvanic isolator,電氣隔離器)的配電器,使用HART信號在安全側和危險側之間傳輸的配電器(型號:A3DYH,參考圖4)。

此外,M-SYSTEM也提供如同名稱的原始含義“分配供應給多個2線式變換器提供工作電源”的配電器(型號:DS-824),及HART通信信號時雙向隔離用中繼配電器。(型號:M2DYH)等各種產品。

 

 

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7. 用熱電偶測量狹窄的溫度範圍 /1996.07

M-System技研持續深入研究熱電偶變換器的冷接點補償方法。

 

熱電偶測量原理

熱電偶是由2種不同類型的金屬形成一個電路,當2個接點之間存在溫差,就會產生電動勢(Seebeck effect,塞貝克熱電效應),利用此效應可用來測量溫度。該電動勢取決於這2種金屬的類型以及接點之間的溫差。

 

 

舊的冷接點溫度傳感器設計

直到1986年前,如圖2所示,M-System技研的熱電偶變換器的冷接點溫度一直在測量端子附近的外部環境溫度,而沒有直接測量熱電偶的端子溫度。

在這種冷接點溫度測量方法中,冷接點溫度容易受外界空氣溫度變動的影響,相對於熱電偶實際端子的溫度,約會有3°C的不穩定的變動。

 

 

目前產品的冷接點溫度傳感器

目前,熱電偶端子溫度是由冷接點傳感器直接測量的(圖3)。改善後,端子溫度測量的誤差約為0.2°C。

 

 

選擇熱電偶變換器的注意事項

建立目前的冷接點傳感器方法時,大約花費了兩年時間進行研究。因此,M-System技研的熱電偶傳感器的冷接點補償性能得到認可,並廣泛用於狹窄的溫度範圍(例如0-50°C)。

 

因為,M-System技研的熱電偶變換器性能已被使用者認可,被用於美國沙漠中每天溫度都在急劇變化的美軍基地設備。

 

而其他公司的熱電偶變換器和熱電偶輸入記錄器,大多數仍是測量熱電偶入力端子的環境溫度,再以冷接點補償。

 

當選擇熱電偶變換器時,或者如果您對熱電偶變換器的性能有疑問,建議您確認看看變換器是使用哪種冷接點測量方式。

 

 

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8. 熱電偶補償導線與現場安裝型2線式變換器 /2006.02

什麼是補償導線?

當使用銅線作為連接熱電偶和轉換出力信號用的熱電偶變換器的引線時,熱電偶和銅線之間的連接點(補償接點:圖1中的B點)與銅線和熱電偶變換器之間的連接點(參考接點:圖1中的C點)存在溫差,則測得的溫度將會有誤差。換句話說,在圖1中,熱電偶根據A點和B點的溫度產生熱電動勢。然後,熱電偶變換器測量點C處的溫度並執行冷接點補償。在此,如果B點和C點的溫度不同,而兩點之間使用銅線連接,則B點和C點之間的溫差將會有誤差。

 

 

為了消除因這兩個連接點之間溫差引起的測量誤差,可以考慮採用直接連接熱電偶和熱電偶變換器的方法,因為如果要將熱電偶延長連接到熱電偶變換器接,則以下問題將會發生:

(1)熱電偶的電線較細,因此難以搬運且容易被切斷。

(2)它是單芯線且以較硬,連接困難

(3)成本比普通銅線高得多

 

為了解決該問題,一般是使用具有與熱電偶幾乎相同熱電動勢特性的“補償線(用於熱電偶)”,作為上述延伸用連接線。

 

如果使用補償導線進行接線,則可以像普通導線一樣輕鬆連接。但必須注意要與熱電偶一樣正負極性,以及補償接點溫度。如果補償接點的溫度與補償導線的規格不同或極性連接錯誤,將無法量測正確的溫度(表1顯示類型和顏色,表2顯示極性顏色)。

 

表1 根據JIS C 1995的類型/符號和表面塗層的顏色

種類 記號*1 舊記號(參考) 表面包覆顏色*2 舊規格(參考)
組合使用的熱電偶類型 芯線構成材料 第1類
+側芯線 —側芯線
B BC BX
R 主要由銅和鎳組成的合金 RCA RX

黃紅

(大約)

主要由銅和鎳組成的合金 RCB
S 主要由銅和鎳組成的合金 SCA SX

黃紅

(大約)

主要由銅和鎳組成的合金 SCB
N 主要由鎳和鉻組成的合金 主要由鎳和矽組成的合金 NX - 淺紅色
(粉紅色)
-
主要由銅和鎳組成的合金 主要由銅和鎳組成的合金 NC -
K 主要由鎳和鉻組成的合金 鎳為主的合金 KX KX
主要由鎳和鉻組成的合金 鎳為主的合金 KCA -
主要由銅和鎳組成的合金 KCB WX
主要由銅和鎳組成的合金 KCC VX
E 主要由鎳和鉻組成的合金 主要由銅和鎳組成的合金 EX EX

藍紫

(紫)

J 主要由銅和鎳組成的合金 JX JX
T 主要由銅和鎳組成的合金 TX TX

深黃紅

(棕)

*1 補償導線類型的符號是依熱電偶的類型和芯線的構成材料表示,延伸型芯線的符號為X,補償型芯線的符號為電線是C。

*2 顏色名稱根據 JIS Z 8102中指定的基本顏色名稱及其修飾代號。括號是其慣用的顏色名稱。

 

 

表2  極性色別  根據JIS C 1995

極性  按表面包覆層顏色分類 舊規格(參考)
第1類
+側 根據表1 每種類型的表面包覆層顏色
—側

 

 

補償導線的缺點

由於優先選擇材料具有跟熱電偶幾乎相同的熱電動勢特性,例如,K型熱電偶使用標準截面積為1.25 mm 2的補償導線,每1 m往返約1Ω,電阻值非常高。因此,隨著從溫度測量點到儀器室的距離增加,佈線電阻將隨著增加,使得檢測熱電偶斷線的燒斷(burnout)電流而導致的測量誤差增加。而目前在大型工廠中多使用比標準橫截面積大的補償線來解決長距離傳輸的要求。

 

 

現場安裝型2線式變換器的建議

M-System技研提供頭置型2線式溫度變換器(26-UNIT系列,27-UNIT系列(圖2)),可以安裝在保護管的頭部(接線盒)內。

 

2線式變換器使用時,因電源和出力信號為共同配線,因此變換器及受信儀表之間的接線數與熱電偶的接線數相同都是2條。另外,由於在安裝變換器直接進行冷接點補償,因此出力的配線可以使用普通銅線即可。而且出力信號不像熱電偶般的微弱mV信號,而是抗干擾的DC4~20mA信號,因此可以在高精度和穩定的長距離條件下傳輸。

 

 

 

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9. 變換器的基準精度和許容差 /1994.02

M-System技研的MSS(規格書)中使用兩個術語來描述轉換器的精度:基準精度和許容差。

• 基準精度(英文:Accuracy):儀表(計裝)用變換器適用

在標準操作條件下,所有影響精度的外部因素為固定的。

 

• 許容差(英文:Accuracy):電力用變換器適用

在規定的範圍內,影響精度的外部因素之一可能會在指定範圍內變化。

 

 

精度沒有統一的表達標準

有許多影響精度的外部因素(例如環境條件)。在表示準確性時,沒有統一的標準來統一全部、部分或完全排除此外部因素。

 

因此,當使用者比較來自多個製造商同類型的轉換器時,即使每個公司都表示“精度:±0.1%”,但實際的性能值可能因製造商而異。

 

 

影響變換器精度的主要外部因素

影響精度的外部因素包括以下內容:

• 自發熱

• 環境溫度

• 電源電壓

• 電源頻率

• 外部磁場

• 入力側的各種條件

• 出力側的外部負載阻抗

 

 

基準精度

M-System技研標準精度規定如下:

“在標準操作條件下,使用由M-System技研管理的信號產生器和測量儀器下,理想出力與實際出力差異在輸出特性曲線上的百分比。”

 

在外部因素中,如果偏離標準操作條件而對標準精度產生重大影響的外部因素將在規格中單獨表述。例如,“環境溫度的影響”。

 

 

許容差

類似於表示電力表精度的“等級/階級(日文)”來稱呼電力用變換器頖度的“許容差”。許容差是即使影響精度的一個外部因素會發生變動時,變換器也有的精度範圍值。

 

換句話說,“許容差”等於是“基準精度”加上“一個外部因素的變動範圍”。

 

下表顯示被考慮的外部因素及其允許的變動範圍。

 

 

電力用變換器的許容差所包含的外部因素變動範圍

類似於表示電力表精度的“等級/階級(日文)”來稱呼電力用變換器頖度的“許容差”。許容差是即使影響精度的一個外部因素會發生變動時,變換器也有的精度範圍值。

 

換句話說,“許容差”等於是“基準精度”加上“一個外部因素的變動範圍”。

 

下表顯示被考慮的外部因素及其允許的變動範圍。

 

電力用變換器的許容差所包含的外部因素變動範圍

種類 允許因素的變化範圍

自發熱

環境溫度

外部磁場

通電開始30分鐘後的出力變化

±10℃變化

400 A/m 的外部磁場變化

入力電壓

入力電流

補助電源電壓

動作入力範圍内的變化

動作入力範圍内的變化

額定使用電壓範圍内的變化

頻率

負載阻抗

波形

46~65 Hz

容許負戴阻抗範圍的變化

輸入包含15%三次諧波的波形時

 

 

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10. 變換器應答時間的表示方法 /1997.01

每個公司的信號變換器規格書內都有一個應答時間(Response time)。但問題在於應答時間的標準因製造商而不同。為了解決這個問題,M-System技研使用表1中所示的轉換表。

 

表1 應答時間換算表

90%應答 63%應答 極限頻率(-3db)

1 (s)

0.5

0.43 (s)

0.22

0.37 (Hz)

0.73

100 (ms)

50

25

43 (ms)

22

11

3.7

7.3

14.6

10 (ms)

5

1

4.3 (ms)

2.2

0.43

37

73

370

500(μs)

100

50

220(μs)

43

22

730

3700

7300

在表1中建立的轉換表,是假設變換器的入力濾波器電路具有“一階滯後特性”。

 

 

步階(Step)應答

步階應答方法是對變換器的入力以步階式進行改變,測量相對於出力變化時間的方法(圖1)。

 

步階應答方法中出力的變化具有指數特性,剛開始變化快速,然後隨著時間的過去而變慢。因此,不能採用100%出力變化的時間,通常以出力變化高達63%或90%的時間來表示。

 

利用以下公式轉換"90%應答"和"63%應答":

90%應答時間= 2.3 x 63%應答時間

 

 

 

頻率應答

在頻率應答方法中,將固定波幅的正弦波形變化信號(交流信號)加到入力,測量出力信號的波幅(圖2)。

 

當信號變化速度緩慢時,出力波幅保持與入力狀態相同。即,出力可以準確地跟隨入力變化。如果信號變化速度逐漸增加(增加交流信號的頻率),則出力將無法跟隨並且波幅變小。

 

該波幅衰減到-3dB(約70%)時的頻率稱為極限頻率。在一階滯後特性中,可以利用下面公式換算極限頻率和63%應答值(時間常數)。

63%應答值(s) = 1/ (2π x 頻率(Hz))

 

 

 

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11. 電空變換器 /2005.10

電空變換器

顧名思義,電空變換器是將電氣號變換為氣壓信號的信號變換器,在儀表用信號變換器中是比較特別的。這是因為大部份的信號變換器僅由電子電路組成,而電空變換器與電空定位定位器一樣,都包含控制氣壓用必要的機械驅動裝置。可說是曾經充滿氣動儀表時代的殘存者。之所以仍被使用,因為其有不可替代的必要性。

 

電空變換器主要用作控制閥的操作信號源。許多控制閥驅動裝置(致動器),目前仍使用空壓氣動方式,利用電空定位器或電空變換器將來自控制器的電信號轉換為氣壓信號。在許多情況下,利用電空變換器的輸出信號來直接操作致動器,使用於不需要高精度的開度控制的場合,而將電空變換器的輸出做為空氣/空氣定位器的輸入信號,在某些情況下,可能得到電空定位器相同精度。

 

比較氣動儀器時代和現在的氣空變換器,有些部份沒有改變,有些部份則已經改變。

 

不變的部分是具有被稱為噴嘴擋板的壓力控制機構和放大用的引導閥,順便提及,噴嘴擋板是使用轉矩馬達或電感器等電磁機構來驅動。M-System技研採用了稱為電磁擋板的設計,將噴嘴擋板機構和驅動線圈整合在一起。到目前為止,利用引導閥將噴嘴擋板的氣壓信號放大的設計尚未改變。

 

與過去相比有變化的是,輸出信號的會回授(feedback)與輸入電流比較,做為噴嘴擋板間距的調整。過去,使用一種稱為力平衡的方法,將電空變感器本身的輸出壓力導入波紋管,利用膨脹和收縮調整噴嘴擋板的間隙是很常見的。但安裝位置和空氣管路內的積碳,導致輸出的變動(圖1)是此戶方法的缺點。

 

近來,隨著電子技術的發展,使用半導體壓力傳感器的電子電路方法已變得非常普遍。將壓力傳感器所得到的輸出氣壓對應的電氣信號與入力電信號進行比較來調節驅動噴嘴擋板的線圈電流。在此方式中,壓力傳感器不受安裝位置或空氣回路內部狀態的影響,因此消除了上述力平衡方式的缺點。另一方面,壓力傳感器的精度會影響整個電空變換器(圖2)的精度,但是M-System 技研的電空變換器(圖3)為了達到高精度的要求,採用具有絕佳的溫度特性的傳感器,因此具有優良的電空變換器性能。

 

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12. 空電變換器 /2005.11

這次,將說明與上篇解釋的“電空換器”關係互補的“空電變換器”。

 

空電變換器

顧名思義,“空電變換器”是一種將空壓信號轉換為電氣信號的裝置,與上篇的“電空變換器”動作正好相反。所謂“空電變換器”並不限使用於製程(process)自動化,只要可從任意形式的空壓轉換為任意形式的電氣信號皆是,例如,在空壓設備業中,也有將壓力開關稱為“空電變換器”。但是,在製程自動化領域,是指可將儀表氣壓信號比例化變換成電流或電壓信號的變換器。因此,即使在製程中有將氣壓作為控制和測量對象,但這種測量氣壓的裝置,並不能被稱為“空電換器”,而是將其區分在“壓力傳送器”中。

 

如上所述,空電變換器是將儀器量測的空壓信號(例如20-100 kPa)轉換為比例化的電氣信號(例如4-20 mA DC)。因此,主要用途是做為監視儀表信號。這與製程處理量的變換器(例如溫度變換器)不同。然而,即使已經從氣動式儀器改向使用電子式儀器,仍然殘存有許多昂貴的氣動式現場設備,繼續使用空電變換器將信號傳到控制用電腦(圖1)。在這種情況下,可以說是間接使用製程處理量的做法。

 

但並不如預期發展,在新工廠中沒有這樣的案例,即使到現在,現有工廠的儀器設備更新時也使用了許多空電變換器。

如同上篇電空變換器中提到的電子電路式電空變換器一樣,在空電變換器中使用的壓力傳感器精度非常重要。M-System技研的空電變換器採用溫度穩定性高的半導體壓力傳感器,因此變換器整體上具有出色的溫度穩定性。

 

在此,針對儀表用壓力信號進行一些補充說明。空氣壓力包括差壓,絕對壓和表壓。差壓表示2點之間的壓力差。差壓式流量計是一個常用的名詞,藉由測量孔洞前後的壓力差以得到流量。絕對壓是與對應絕對真空的壓力差,天氣預報中就使用大氣壓與此相對應。表壓表示與大氣間的壓力差。空電變換器和電空變換器使用的儀器用氣壓信號就是表壓。

儀表的壓力信號,日本國內在修訂《測量法》之前是使用的0.2~1.0 kgf / cm2,後來改為Pa(帕斯卡)為單位的19.6~98.1 kPa和20~100 kPa為主。另一方面,在歐洲則是將單位改為bar,使用0.2-1.0 bar。在北美,主流是3~15 psi,M-System技研的電空變換器和空電變換器都對應規格。

 

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資料來源: M-SYSTEM技研