Muhtelif enstrümantasyon üreticilerinin dokümanlarından tercüme edilerek ve Metroloji Okulu talimatlarından derlenerek hazırlanmıştır. İlgilenenler sorularını bu sitedeki formlarla veya e-posta kanalıyla iletebilirler.

okul@metroloji.com.tr

İki-Telli Transmiterler

Ölçme tekniğinde çok kullanılan sensör (algılayıcı), transdüser (dönüştürücü) ve transmiter (aktarıcı) terimlerini tanımlayarak konuya girelim. Sensör, belli bir proses değişkeninin ölçümünde kullanılan ve ilgili değişkene karşı ileri derecede hassasiyet gösteren bir karakteristiğe sahip ölçme elemanıdır. Çoğunlukla bu karakteristik, ölçülmek istenen değişkenden farklı bir değişkendir. Örneğin rutubet sensörü olarak kullanılan polimer elemanlardaki kapasitans, piezo-elektrik yük/basınç ve ivme sensörü olarak kullanılan kuvars elemanlardaki elektriksel yük potansiyeli, gerilme sensörü olarak kullanılan rezistans pulları, vb. Transdüser, bir değişkeni ölçülmesi daha pratik olan başka bir değişkene çeviren ölçme elemanıdır. Örneğin gerilme pullarının (strain gage) belli bir konfigürasyona göre esnek yapılar üzerine yapıştırılmasıyla elde edilen ağırlık/yük hücreleri ve basınç transdüserleri (çoğu sensör eleman, aynı zamanda transdüser olarak faaliyet görürler). Eğer algılayıcı veya transdüser, tesiste uzaklara aktarımı uygun olmayan bir sinyal üretiyorsa, ayrı bir sinyal işleme (yükseltme+çevirme) devresine ihtiyaç duyulur. Aslında bu devreyi içeren kısım sözcüğün tam anlamıyla aktarıcı (transmitter) olmakla birlikte, kombine sensör/transdüser/sinyal işleme eleman grubuna çoğunlukla (en azından endüstriyel ortamlarda) transmiter deniyor.

İki-telli transmiterler özellikle sıcaklık, basınç ve akış ölçümlerinin yoğunlukta olduğu proses endüstrilerinde yaklaşık 25 yıldır kullanılıyor. Son 10 yıl içinde kimyasal proses tesislerindeki çoğu son kullanıcı tarafından da, analitik enstrümantasyonun büyük bir bölümü için talep ediliyor.

İki telli transmiterler, uzak noktalardaki ölçüm uygulamaları için ideal çözümdür. Transmiterlerin, konvansiyonel ölçü aygıtlarına göre belirgin avantajları vardır ama "toprak çevrimi" sorunlarının önlenmesi için dikkatle seçilmelidirler.


Resim 1. Uzak ölçme noktaları içeren endüstriyel tesis


Resim 2. Göstergeli ve normal transmiter

AMAÇ

Uzaktaki bir prosesin izlenme gereksinimine sık rastlanır. Yaygın algılayıcıların (termokupl, termorezistans, gerilme pulu esaslı basınç/kuvvet/tork/ağırlık transdüserleri, pH - kondüktivite elektrodları, vb...) çok küçük sinyaller üretirler. Bu sensörler, zayıf sinyali yükseltecek ve kondisyonlayacak iki-telli transmiterlere bağlanabilirler. Bir kere kullanılabilir seviyeye koşullandırıldıktan sonra, bu sinyaller sıradan bakır teller üzerinden aktarılarak göstergeler, kaydediciler, grafik çiziciler, bilgisayarlar, denetimciler gibi diğer ekipmanı sürebilirler.

NEDEN

Zor endüstriyel uygulamalarda iki-telli transmiter sistemlerinin neredeyse istisnasız hale gelmelerinin bazı nedenleri var.

  1. İki-telli tranmiterler özellikle AC güç sağlanamayan uzak saha uygulamaları için tasarlanmıştır.
  2. İki-telli transmiterler tehlikeli alanlara (division I ve division II) yerleştirilebilirler. Voltaj sinyallerini sınırlayan bir güvenlik bariyeri kullanılarak sistem "özde güvenli" (intrinsically safe) hale getirilebilir.
  3. Çok sayıda enstrümantasyona sahip tesislerde 24 Vdc güç kaynakları standarttır.
  4. Sinyal aktarımı için gereken tel sayısını azaltmanın yanısıra, ekranlı koaks kabloya gerek kalmadığı için kablo maliyeti daha da düşer.
  5. Endüstriyel çevreler genelde koroziftir, bu nedenle transmiter muhafazası hem hava geçirmez hem de korozyona mukavim olmalıdır.
  6. Proses tesislerindeki topraklama ihtiyacı, çoğu uygulamada giriş/çıkış izolasyonunu gerektirir.


Resim 3. Otomasyon kontrol odası


Şekil 1. Sinyal iletiminin minimum gerekliliği

ÇALIŞMA TEORİSİ

Gittikçe artan sayıdaki modern endüstriyel proses, uzaktan sinyallerle (remote) izlenmekte veya kontrol edilmektedir. Bir çok durumda bir transdüser (çıkış sinyali işlenmemiş algılayıcı), sinyalini oldukça uzun mesafedeki kontrol odası veya bilgisayar terminaline göndermek durumundadır (Resim 1). Mesafe uzadıkça sinyalle başetme problemleri hızla katlanır. Sistem maliyetleri bir sinyalin aktarılacağı mesafeyle doğru orantılı olarak artar. Görece pahalı olan ekranlı kablolar kullanılmadığı sürece, uzun sinyal aktarım hatları gürültü kapmaya hayli duyarlıdır. Aktarılan sinyal voltajının belirgin bir kısmı böyle uzun hatların rezistansında (RO) yutulur; ve hat uzadıkça sinyal kaynağı (VS) ve yük (VL) arasındaki toprak potansiyellerinde (VG) büyük fark çıkması olasılığı artar (Şekil 1).

Sistemin bataryalı olmadığını varsayarsak, transmitere enerji götürmek için en azından fazladan bir hat gerekir (Şekil 2a). Ancak eğer sinyal ve güç kaynağı hattı birleştirilirse (iki işlevi olan tek hat), hatların sayısı mutlak minimum olan "iki"de tutulabilir (Şekil 2b). Böylece yalnız güç kaynağı ve topraklı dönüş gerekecek; sinyal ise güç kaynağından çekilen akımdaki değişiklik şeklinde aktarılacaktır.


Şekil 2a. Minimum gerekliliğe ilaveten enerji beslemesi


Şekil 2b. Güç hatlarının sinyal için de kullanılması

Bir iki-telli transmiter, sensör girişiyle doğru orantılı olarak uzaktaki bir DC güç kaynağından akım çeker.

Örneğin, termokupl girişli bir transmiter, prosesin en düşük değerini ölçerken, bir DC güç kaynağından 4 mA akım çeker. Sonra sıcaklık yükseldikçe, transmiter doğru orantılı olarak gittikçe daha fazla akım çekecektir, ta ki 20 mA'e kadar.Bu 20 mA, termokuplun algılayabileceği en yüksek sıcaklığa karşılık gelir. Transmiterin içindeki devre (4-20 mA'lik akımın bir kısmı tarafından beslenmektedir), çıkış akımının temsil edeceği sıcaklık aralığını belirler.

Fiziksel olarak transmiter çıkışını seri olarak uzaktaki güç kaynağı ve proses ekipmanına bağlamak için sadece iki bakır tel gereklidir. Sinyal ile güç besleme hattının birleştirilmesi buna olanak sağlar (bir devre iki işleve hizmet eder).

AVANTAJLAR

İki-telli transmiterler, daha geleneksel ölçme şekillerine göre birkaç avantaja sahiptirler.

  • İki-telli bir transmiteri çalıştırmak için, uzak bölgede AC güç gerekmez. Tranmiterler düşük düzeydeki 4-20 mA çıkış akımı sinyali ile beslendiklerinden, uzak bölgede ilave bir enerji sağlanması gereği yoktur. Dahası, gerekli olan 24 Vdc sinyali, çok miktarda enstrümantasyon ihtiva eden tesislerde zaten bir standarttır.
  • Elektriksel gürültü ve sinyal kaybı, iki-telli transmiterler için sorun oluşturmaz. İş, ortamdaki elektriksel gürültüye gelince, transmiterin akım çıkış sinyali kendini yüksek bağışıklığına bırakır. Çıkış akımında görülebilecek herhangi bir gürültü, genellikle alıcı cihazın ortak-mod dışlamasıyla (common-mode rejection) bertaraf edilir. Ek olarak çıkış akımı sinyali, çoğu voltaj sinyalinde olduğu gibi, mesafeyle değişmez (zayıflamaz).
  • İki-telli transmiterler kullanıldığında, tel maliyetleri belirgin bir şekilde düşer. Termokupl, pH, kondüktivite vb. sensörlerin ürettiği zayıf voltaj sinyalleri, belli bir mesafeye gönderileceklerse, hemen her zaman ekranlanmış kablo gerektirirler. Elektriksel röleler, motorlar ve AC enerji hatlarından gelen ortamdaki elektriksel gürültü, ekranlanmamış bir kabloda aktarılan bu sinyallerle karışırlar. Ayrıca, uzun kablo boylarını zorunlu kılan uygulamalarda, hat direncinin yolaçtığı sinyal voltajı düşmesinden kaynaklanan hataları küçültmek için, genellikle kalın (pahalı) kablolar döşenir. Tabii ki hat boyu arttıkça, sinyaldeki hata da artacaktır.

Bir iki-telli transmiter sisteminde, mahaldeki tüm ekipmanın bağlantılarında sıradan bakır tel kullanılabilir. 4...20 mA'lik akım çıkış sinyali, ortamdaki elektriksel gürültüden neredeyse hiç etkilenmez ve hatta küçük çaplı tel kullanılsa bile uzun mesafe iletimlerinde bozulmaya uğramaz. Yeter ki hat direnci ile yük direncinin toplam değeri, akım jeneratörünün sürme kapasitesini aşmasın. Panel göstergeleri, denetimciler, kayıt cihazları, vb. akım alıcıları 50…250 Ohm arasında giriş direncine sahiptirler. Örneğin 5 km uzunluğunda 1 mm kesitli tek telin direnci yaklaşık 160 Ohm, çevrimin (iki-tel) direnci 360 Ohm'dur. Bu durumda 700 Ohm nominal yük sürme kapasitesine sahip (Şekil 3) bir iki-telli transmiter kullanarak, 1 mm kesitli basit örülmüş (twisted) kablo üzerinden büyük mesafeler boyunca yüksek doğruluklu sinyal aktarmak mümkündür. Bir sisteme iki-telli transmiter eklenmesi, uzun hatları pahalı kalın tellerden döşeme ve yüklüce miktarda ekranlama gerekliliği problemlerini ortadan kaldırır.


Şekil 3. Transmiter yük sürme

TOPRAK ÇEVRİMİ PROBLEMLERİ

Eğer iki ayrı noktadan yere topraklama çubukları çakılsa ve aralarına bir voltmetre bağlansa, ikisi arasında bir voltaj farkı olduğu görülür. Potansiyeller arasındaki bu fark, yeryüzünün herhangi iki noktası arasında pratikte mevcuttur. Uzak bir yerdeki bir proses ölçülmeye çalışıldığında, bu voltaj farkı hat boyunca "toprak çevrim sinyali" diye adlandırılan bir hata akımına yolaçar. Sonuç göstergeye bir hata olarak yansıyacaktır.

Bir iki-tel transmiter normalde, giriş sinyalinin yüzen (floating) bir sensörden gelmesini gerektirir. Bu geleneksel olarak "giriş izolasyonu" tabir edilen, giriş voltajının kendi ayrı toprak referansına değil iki telden birine referanslanması durumunu gösterir. Sensörün ayrı topraklama ile kullanılması gereken uygulamalarda kullanıcı, iki toprak bağlantısı arasındaki akımların yük direnci üzerinde yarattığı ek gerilim hatalarıyla da karşı karşıya kalır. Bu nedenle, bu tip "toprak çevrimi" hatalarını önlemek için sisteme iki-telli izole transmiterler seçilmelidir. Bu tipteki transmiterler sensör sinyalini çıkış akımı çevriminden opto-elektronik olarak izole ederler. Böylece kullanıcı, hem sensörü hem de akım çevriminin bir tarafını topraklayabilecektir (Şekil 2b).

TRANSMİTER ÖZELLİKLERİ

Transmiterler besleme ve çıkış için aynı kabloları kullanmak suretiyle iki-telli bir bağlantı sağlayabilirler. Yük direnci bir dc güç kaynağına seri olarak bağlanmıştır ve kaynaktan çekilen 4...20 mA'lik akım (veya çıkış sinyali), giriş sinyali (Ei) ile orantılıdır.

Ölçme aralığı alt sınırı : LRV , üst sınırı : URV
Çıkış sinyali alt sınırı : LOV , üst sınırı : UOV olarak tanımlanırsa;

ölçülen değer, Formül1 veya

çıkış sinyali, Formül2 olacaktır.

(Burada MV: ölçülen fiziksel değer, MO : ölçülen çıkış sinyali değeri)

Örneğin ölçme aralığı -50 °C...+150 °C olan bir 4-20 mA transmitter için

çıkış akımına göre ölçülen sıcaklık Formül3 (°C)

veya giriş sıcaklığına göre çıkış sinyali Formül4 (mA) olacaktır.

İki-telli aktarım, düşük düzeyli sensör çıkışını maruz kaldığı gürültü ve sinyal bozulması etkilerini asgariye indirmek için, transmiterin uzaktaki sensörün yanına montajını da mümkün kılar.

Saha montajına uygun sağlam bir metal kutu, hem çevre koşullarından koruma hem de giriş ve çıkış için vidalı terminallere yer sağlar. Bu kutunun standart pano raylarına monte edilenleri de vardır.


Resim 4. Ayar trimpotları ve klemensler

Çoğu iki-telli transmiter, sensörün çıkış voltajına, hatta doğrudan ölçülen değişkenin birimine göre lineerize edilmişlerdir. Sensör sinyalini 4…20 mA çıkış sinyaline dönüştürürler (dijital RS-232C çıkışına dönüştürebilen modeller bu yazı kapsamında ele alınmamaktadır). Transmiterlerin, modeline bağlı olarak değişik tip girişleri (std. termokupl ve RTD tipleri, kapasitif, rezistif, indüktif algılayıcılar, mV/µV düzeyinde ham çıkışlı sensörler, vb.) seçmeye yarayan "dip switch"ler ihtiva edenleri, izole veya izole olmayanları mevcuttur. Çoğu (modele göre ±20% gibi bir aralıkta) çıkış ölçme sınırlarını ayarlamaya yarayan sıfır (zero/offset) ve kazanç (gain/span) ayarlama potları veya butonları ihtiva eder (Resim 4).

KALİBRASYON AYARI

Analog transmiterlerdeki ayar potansiyometrelerinden ilki, giriş işareti sıfır olduğu zaman çıkışın değerinin ne olacağını belirler. (İkinci kuşak mikroprosesörlü transmiterlerde potların yerini butonlar veya varsa göstergeli olanlarda menüden girilen komutlar almıştır. Üçüncü kuşak dijital komünikasyonlu transmiterlerde ise bağlanan programlayıcı veya bilgisayar üzerinden kullanılan yazılımlar basit zero/span ayarının ötesinde imkanlar sunmaktadır.) Şekil 4, transmiterde sıfır (OFFSET) değiştirilmesinin çıkış sinyali üzerindeki etkisini göstermektedir. Şekil 5'te ise kazanç (SPAN) değişikliğinin, transmiter giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki matematiksel ilişkinin eğiminde yolaçtığı etki görülüyor.


Şekil 4. "ZERO" kalibrasyon ayarı


Şekil 5. "SPAN" kalibrasyon ayarı

Transmiterlerin kalibrasyon prensibi, eğer bir düz çizgi üzerindeki iki nokta doğru ayarlanırsa düz çizginin kendisinin doğru ayarlanmış olacağıdır. Şekil 5'e dikkat edilirse, düşük miktarlardaki giriş sinyali üzerinde kazanç ayarı etkisinin çok küçük olduğu görülür. Dolayısıyla ilk kalibrasyon ayar noktası, giriş aralığının alt sınırına yakın bir yerde (örneğin 10%) seçilmelidir. Bu noktada transmitere verilen giriş işaretine karşılık gereken çıkış sinyali için, sıfır ayarı kullanılır.

Kazancın değiştirilmesi ise, giriş aralığının üst bölgelerinde yüksek çıkış değişkenliği yarattığından, ikinci kalibrasyon ayar noktası üst sınıra yakın tutulmalıdır (örneğin 90%). Bu noktadaki kalibrasyon ayarı da, yeterli büyüklükte bir giriş işareti yükledikten sonra doğru çıkışın alınmasını sağlamak üzere kazanç potunun ayarlanması ile yapılır.

Pratikte bazen, sıfır ve kazanç ayarları arasındaki etkileşimi baştan gidermek (veya hesaba katarak yok etmek) oldukça zordur. Bu nedenle bu iki noktanın ayarlanması prosedürü tekrar tekrar yinelenir, ta ki daha fazla ayarlama ihtiyacı gözlenmeyene kadar.

Yukarıda tarif edilenin sadece transmiter elemanının kalibrasyonu olduğunu ve bunun gerçekleştirilebilmesi için gerek yeterli doğrulukta giriş işaretini yaratacak gerekse çıkış sinyalini yeterli doğrulukta ölçecek ekipman (simülatör, kalibratör, mA-metre, güç kaynağı vb.) gerekeceğini ayrıca belirtelim. Son olarak şunu da ekleyelim ki, bir ölçme/kontrol veya otomasyon çevrimindeki ölçme elemanları, sensör-transmiter-gösterge şeklinde ayrı komponentler olarak da kalibre edilebilir, sistem bir bütün çevrim (LOOP) olarak da kalibre edilebilir. Her iki yöntemin de duruma göre artı ve eksileri mevcut olup, bu konu başka bir incelemede ele alınacaktır.


Resim 5. Transmiter kalibrasyonu