Danas je nabavljen industrijski procesni mjerač i kalibrator Process Multimeter PMM 330A, proizvod britanske tvrtke Quark Electronics ltd. iz kraja 1980-tih godina. O tvrtki Quark Electronics nismo našli nikakve informacije od prije 2003. godine, kada je nastala današnja tvrtka naziva „Quark-Elec“, vjerojatno nasljednica izvorne tvrtke Quark Electronics ltd, a koja sada prodaje različitu brodsku i industrijsku komunikacijsku i senzorsku elektroniku.
O Process Multimetru PMM 330A također nemamo nikakvih drugih podataka osim onoga što je vidljivo iz same prednje ploče:
- mjerenje napona u četiri mjerna opsega: 0-1 V, 0,25-1,25 V, 1-5 V i 0-100 V
- naponski izvor u četiri mjerna opsega: 0-1 V, 0,25-1,25 V, 1-5 V i 0-25 V
- mjerenje struje u četiri mjerna opsega: 0-10 mA, 0-20 mA, 4-20 mA, 10-50 mA
- strujni izvor u četiri mjerna opsega: 0-10 mA, 0-20 mA, 4-20 mA, 10-50 mA
- kalibrator 2-žične strujne petlje za četiri industrijska standarda: 0-10 mA, 0-20 mA, 4-20 mA, 10-50 mA
Radi se dakle o procesnom kalibratoru s multimetarskom funkcijom za generiranje i mjerenje istosmjernog napona i struje. Naponski i strujni mjerni opsezi su prilagođeni standardima koji se koriste kod industrijskih električnih pretvornika, senzora, mjernih krugova i signalnih linija te se ovakav uređaj onda naziva i industrijski procesni mjerač i kalibrator.
Vrijednosti napona i struja prikazuju se na LED displeju sa 4 znamenke kao postotak vrijednosti unutar određenog mjernog opsega. Tako je na primjer u opsegu 4-20 mA vrijednost od 4 mA prikazana kao 0,0 %, a vrijednost od 20 mA je prikazana kao 100,0 %. Time je instrument prilagođen jednostavnoj kalibraciji unutar određenog industrijskog standarda. Na opsezima sa bazom 10 (0-1 V, 0-100 V, 0-10 mA) prikazana vrijednost će odgovarati i stvarnom naponu, no na svim ostalim opsezima dobivamo samo postotnu vrijednost dosegnutog napona unutar definiranog opsega sa rezolucijom prikaza od 0,1%.
PMM 330A ima dva kanala tako da se sklopkom Adjust Select može brzo prebacivati između dvije vrijednosti izlaznog napona ili struje koje se zasebno namještaju preko preciznih potenciometara Adjust A i B. Kombinacijom sklopki Range i Elev./True bira se jedan od četiri mjerna opsega. Sklopka Gen./Mea. je za odabir načina rada uređaja kao generator ili mjerač, dok je sklopka Curr./Volt za odabir naponskih ili strujnih opsega. Sklopka Instr. ON je za uključenje uređaja, no to nije mrežna sklopka. Naime, PMM 330A je opremljen internim akumulatorom 6 V / 4 Ah koji se puni čim se uređaj spoji na mrežni napon. Akumulator osigurava 12 sati autonomije rada uređaja, a potpuno ispražnjen se preko internog punjača napuni za 8 sati.
Strujni i naponski opsezi kod našeg PMM 330A su određeni i prilagođeni opsezima napona i struja koje daju neki standardni analogni industrijski električni pretvornici ili senzori (engl. transducer ili transmitter), te analogni signalni, upravljački i mjerni krugovi. Informacija unutar tih krugova dakle može biti analogna vrijednost napona u određenom opsegu ili analogna vrijednost struje u tom određenom opsegu.
Prijenos analogne električne informacije žicama je puno povoljniji pomoću struje nego pomoću napona jer je vrijednost struje na cijeloj dužini prijenosnog električnog kruga konstantna, dok vrijednost napona ovisi o padovima napona na otporima, najviše na otporu same duljine žice od senzora do mjernog sklopa. Tako je za strujnu mjernu petlju potrebno samo osigurati dovoljno visok napon napajanja da održava potrebnu struju.
Najzastupljenija je industrijska strujna petlja 4-20 mA koja se pojavila početkom 1960-tih godina primarno kao strujni krug za prijenos teleprinterskih signala. Povezivanje senzora i mjernog uređaja preko strujne petlje može biti 2-žično, 3-žično ili 4-žično. Naš uređaj omogućuje najjednostavnije 2-žično povezivanje (2 wire transmitter) i takvim načinom duljina vodova može biti do nekoliko stotina metara pa i do kilometar. Povezivanjem sa 3 žice djelomično se kompenzira, a povezivanjem sa 4 žice potpuno se kompenzira otpor dugih poveznih vodova pa prijenosna linija može biti puno dulja. Ova povezivanja u načelu funkcioniraju isti kao i 4-žična povezivanja koja smo vidjeli kod mili-ommetara, također u svrhu kompenzacije električnog otpora samih mjernih kablova.
U 2-žičnom povezivanju najmanja struja ne može biti nula ampera jer bi to značilo da struja ne teče i mjerni krug nije aktivan. Stoga je uzet standard od najmanje mjerne struje 4 mA koja odgovara donjoj krajnjoj vrijednosti nekog senzora. Ova minimalna struja koja je uvijek prisutna u mjernom krugu također se može koristiti za detekciju kvara petlje. Tako će u slučaju nekog električnog prekida petlje struja pasti na nulu, a u slučaju pada napona napajanja struja će pasti ispod 4 mA što su onda izravne indikacije kvara strujne petlje. Stoga su standardi 4-20 mA ili 10-50 mA bolji od onih koji počinju s nulom (0-10 mA, 0-20 mA). Osim ova četiri standarda koji podržava naš instrument postojalo je ili se još koriste i neki drugi standardi za strujne petlje, no nekako se kao najpraktičniji i najrašireniji izdvojio upravo standard 4-20 mA.
Za strujnu petlju 4-20 mA moraju se koristi namjenski senzori sa ugrađenim preciznim pretvaračima koji ograničavaju svoje izlazne vrijednosti upravo u strujni opseg 4-20 mA. Na prijemnoj strani, s obzirom da je napon puno lakše (jednostavnije) mjeriti nego struju, mjeri se pad napona na preciznom otporniku. Obično se za napajanje strujne petlje koristi napon od 24 V, a otpornik za mjerenje pada napona je 250Ω. Tako se za strujni opseg 4-20 mA na otporniku od 250 Ω prema Ohmovom zakonu dobivaju naponi u rasponu 1-5 V. Ovaj raspon napona je idealan za daljnje procesuiranje (PLC, RTU i slično). Inače, ovisno o željenom naponu, koriste se otpori od 125 do 500 Ω.
Vidimo da je 2-žična industrijska strujna petlja vrlo jednostavan električni krug koji izravno povezuje i napaja senzor. Točnost mjerenja ovisi o točnosti samog električnog pretvornika unutar senzora i točnosti mjernog otpornika. Otpornik je relativno male vrijednosti i strujni signal radi na opterećenju niskog otpora (u usporedbi s otporom izvora signala), pa su eventualno inducirane elektromagnetske (mrežne) smetnje u prijenosnim vodovima male u usporedbi sa sličnim krugovima koji koriste naponske signale. No s druge strane, zbog niske impedancije 2-žična strujna petlja je ograničena na broj senzora koji se mogu spojiti u krug kao i na duljinu (otpor) poveznih žica.
Unatoč modernim standardima prijenosa signala u digitalnom obliku, analogne strujne petlje su još uvijek raširene u industriji iz jednostavnog razloga jer se ne isplati mijenjati postojeće instalacije koje desetljećima rade posve pouzdano i zadovoljavajuće za mnoge primjene. Također, analogna strujna petlja je jeftinije i jednostavnije rješenje prijenosa podataka od digitalnih sistema i nema razloga da se ne koristi na mjestima gdje zadovoljava potrebe.
ProcessMultimeterPMM330A se bazira na šest integriranih krugova, te smo izbrojali još devet tranzistora.
- TSC14433BCJ (Teledyne) – analogno/digitalni konverter (ADC) za tri i pol znamenke (1999)
- MC14511BCP (Motorola) – BCD dekoder i driver za 7-segmentni displej
- MC1416P ULN2004A (Motorola) – sedam tranzistorskih buffera za LED displej
- MC14011BCP (Motorola) – četiri NAND vrata sa dva ulaza
- CA741CE (RCA) – operacijsko pojačalo
- PMI OP07 (Analog Devices) – precizno operacijsko pojačalo za mjerne krugove
Šteta što nemamo elektroničku shemu no prva tri integrirana kruga svakako čine LED digitalni voltmetar, NAND vrata su u spoju oscilatora transformatorskog DC/DC pretvarača napona, a preostala dva operacijska pojačala su temelj strujnih i naponskih izvora.
Nakon ispravljanja diodnim mosnim ispravljačem DF-02 (200 V / 1 A) i filtriranja iz mrežnog transformatora se dobije napon napajanja od 27 V. Ovaj napon se preko regulatora sa tranzistorom TIP 29 (40 V / 1 A) snižava na 7,3 V što je nominalni napon punjenja akumulatora ugrađenog u uređaj.
Diodni mosni ispravljač DF-02 (200 V, 1 A), filtarski kondenzator, osigurač, zaštitna dioda i krugovi tranzistorskih regulatora napona napajanja sklopova multimetra.
Elementi DC/DC pretvarača napona 6 V / 22 V.
S obzirom da uređaj može raditi i preko akumulatora 6 V, a maksimalni izlazni napon prema specifikacijama je 25 V, onda je nužna upotreba DC/DC pretvarača napona. Međutim, ovaj pretvarač radi i kad se uređaj napaja preko mreže i kad se napaja preko akumulatora. Na izlazu smo izmjerili ispravljeni napon od 22 V, no maksimalni izlazni napon na stezaljkama (opseg 0-100 V) doseže 28,8 V iako je ispravljeni napon iz mrežnog transformatora 27 V. Svakako bi trebali nacrtati čitav krug napajanja da vidimo kako su izvedeni naponski i strujni izvori, no moguće da ove razlike unose i loši filtarski elektroliti.
Nacrtali smo shemu DC/DC pretvarača jer je zanimljivo kako je riješen driver za dva MOSFET-a koji u push-pull spoju napajaju primar transformatora. Četiri NAND vrata unutar integriranog kruga MC14011 spojena su tako da se na izlazu dobiju dva protufazna pravokutna napona za upravljanje MOSFET-ima. Prva dva NAND vrata sa pripadajućim RC elementima čine oscilator pravokutnog napona frekvencije cca 16,8 kHz. Treća NAND vrata su izlazni bufer za pravokutni signal da se osigura stabilnost oscilatora, a četvrta NAND vrata su inverter za dobivanje protufaznog pravokutnog signala.
Elementi digitalnog voltmetra.
Digitalni voltmetar se temelji na gotovom ADC-u TSC14433 koji daje BCD izlaz za prikaz na displeju sa tri i pol znamenke (1999). Za prikaz vrijednosti na LED displeju potreban je još samo BCD dekoder i driver za 7-segmentni displej (MC14511), a umjesto zasebnih pogonskih tranzistora za zajedničku katodu LED segmenata koristi se integrirano rješenje sa sedam tranzistorskih buffera MC1416P (ULN2004A). Za tri displeja sa punim znamenkama po dva bufera su spojena paraleleno. Tako je shema gotovo ista onoj koja je predložena u samoj tvorničkoj dokumentaciji čipa TSC14433.
Analogni mjerni krugovi te naponski i strujni izvori.
ZN404 – preciznom referentnom naponskom izvoru 2,45 V.
Analogni dio, odnosno mjerna pojačala multimetra te strujni i naponski izvori baziraju se na dva operacijska pojačala CA741 i OP07, na preciznom referentnom naponskom izvoru 2,45 V sadržanom u integriranom krugu ZN404, te na dva tranzistora (2N5457 i TIP 120). Sa operacijskim pojačalima i tranzistorima kao izlaznim elementima lako se konstruiraju naponski kontrolirani strujni izvori, regulirani izvori napona te ulazna naponska pojačala, dakle svi sklopovi koje bi očekivali kod ovakvog uređaja. Ipak, morali bi nacrtati shemu ovih krugova da bi nešto detaljnije saznali o konkretnim ulaznim i izlaznim analognim sklopovima u našem uređaju.
Današnji moderni industrijski procesni mjerni instrumenti i kalibratori ne razlikuju se po funkcijama puno od ovog našeg Process Multimeter PMM 330A iz 1980-tih godina. Naravno, zahvaljujući napretku elektronike, danas su to puno kompaktniji digitalni instrumenti, veće točnosti i proširenih mogućnosti mjerenja koji se lako spajaju na mnoge današnje raširene industrijske senzore i električne pretvornike te na ostale sklopove unutar podatkovnih automatskih mreža. Mogućnosti mjerenja su osim mjerenja napona i struja proširene na otpor i frekvenciju, naravno opet sve prilagođeno karakterističnim standardima unutar industrijske automatike. Jednako tako osim generiranja napona i struje, takvi uređaji mogu generirati/simulirati karakteristične otpore raznih termoelemenata, te frekvencije, impulse i slične signale koji se koriste u industrijskoj senzorskoj automatici. Praktično je moguće testirati svaki pojedini senzor (pretvornik, transmitter), te mjeriti i simulirati signale koje šalju takvi elementi u cilju testiranja ili kalibracije drugih procesnih sklopova u petlji. Procesni multimetar je prilagođen mjerni instrument za brzo testiranje industrijskih senzorskih, signalnih i podatkovnih krugova, a za nas klasične elektroničare je ipak praktičniji neki klasični multimetar koji napon, struju i otpor mjeri u što širem opsegu i bez ikakvih (procesnih) ograničenja 🙂