Spezifikationen von FieldPoint-Modulen verständlich erklärt

Überblick

Die Spezifikationen von FieldPoint-I/O-Modulen sind auf der Rückseite der zugehörigen Bedienungsanleitung aufgeführt. Dieses Whitepaper erklärt die Terminologie der Spezifikationen und beantwortet die häufigsten Fragen dazu.

Inhalt

Terminologie der FieldPoint-Spezifikationen

Bandwidth (Bandbreite): Zusammenhängender Frequenzbereich (Frequenzband), der aussagt, welche Frequenzanteile des Signals den Schaltkreis des Analogeingangs passieren können, ohne abgeschwächt zu werden.

Effective Resolution (Effektive Auflösung): Die Messauflösung des Moduls unter Berücksichtigung der Auflösung des A/D-Wandlers und anderer Faktoren wie etwa Quantisierungsfehlern und RMS-Rauschen.

Gain Error (Verstärkungsfehler): Der Grad der Abweichung der Verstärkung vom Ideal, angegeben in Prozent oder ppm. Dieser Wert wird mit der Messung multipliziert.

Gain Error Drift (Drift des Verstärkungsfehlers): Die Änderung der Verstärkung pro Änderung der Temperatur (Umgebungstemperatur in °C im Vergleich zur Nominaltemperatur). Ist ein analoges Spannungseingangsmodul beispielsweise für 25 °C spezifiziert und beträgt die Drift des Verstärkungsfehlers 20 ppm/°C, so liegt bei 27 °C Umgebungstemperatur die zusätzliche Abweichung durch Drift bei 40 ppm.

Input Current Limit (Eingangsstrombegrenzung): Der maximale Strom, der, basierend auf dem begrenzenden Schaltkreis, in das Modul fließen kann. Unabhängig vom Strom, der zur Verfügung steht, wird der Eingangsstrom begrenzt, um Schäden am Eingang zu verhindern.

Input Delay Time (Eingangsverzögerungszeit): Die maximale Dauer, die ein Eingangssignal braucht, um den optisch isolierten Schaltkreis des Moduls zu passieren.

Input Impedance (Eingangsimpedanz): Die Höhe von Widerstand und Blindwiderstand zwischen einem Kanaleingang und der Bezugsmasse. Beträgt die Eingangsimpedanz eines Moduls z. B. 100 Ohm, so ist der Widerstand zwischen Kanaleingang und Bezugsmasse 100 Ohm.

LSB – Least Significant Bit (niederwertigstes Bit): Die kleinste erkennbare Veränderung des Eingangswertes. Der Begriff wird oft zur Bestimmung des Offsets verwendet.

Hat ein Modul etwa eine Auflösung von 16 bit, einen Offset-Fehler von 6 LSB und einen Bereich von ±15 V, dann gilt:

Hinweis: Bietet das Modul Bereichsüberschreitung, muss diese bei der Offset-Berechnung berücksichtigt werden.

 

Maximum Conversion Rate (Maximale Ausgaberate): Die Geschwindigkeit, mit der ein Modul alle Ausgangskanäle aktualisieren kann.

Maximum Working Voltage (Maximale Arbeitsspannung): Die maximale Spannungsdifferenz zwischen beliebigen Anschlüssen am Anschlusssockel und an der Masse in der Modul-Backplane.

Noise (Rauschen): Maß für den vom Schaltkreis des Analogausgangs hinzugefügten ungewünschten Signalanteil.

Nonlinearity (Nichtlinearität): Die Höhe der nichtlinearen Abweichung über den Messbereich des Moduls.

Normal-Mode Rejection (NMR): Maß für die Unterdrückung in Dezibel (dB) eines unerwünschten Netzspannungsanteils (oft 50 oder 60 Hz) auf einem Eingangskanal. Normal-mode rejection kann von Filtern erreicht werden, die Signale mit 50 oder 60 Hz unterdrücken, oder durch Mittelwertbildung, um einen größeren Frequenzbereich zu entfernen.

 Offset Error (Offset-Fehler): Maß für zusätzliche Spannung oder Strom, der vom Schaltkreis des Analogeingangs eingebracht werden kann. Der Offset-Fehler wird den Messungen hinzugerechnet und wird meist in LSB (s. o.) oder in Standardeinheiten angegeben.

Offset Error Drift (Drift des Offset-Fehlers): Die Änderung des Offset pro Änderung der Temperatur (Umgebungstemperatur in °C im Vergleich zur Nominaltemperatur). Ist ein analoges Spannungseingangsmodul beispielsweise für 25 °C spezifiziert und beträgt die Drift des Offsetfehlers 20 ppm/°C, so liegt bei 27 °C Umgebungstemperatur die zusätzliche Abweichung durch Drift bei 40 ppm.

Overcurrent Protection (Überstromschutz): Schaltkreis, der das Modul vor Schäden aufgrund von Strom schützt, der höher ist als der Eingangsbereich.

Overvoltage Protection (Überspannungschutz): Schaltkreis, der das Modul vor Schäden aufgrund von Spannung schützt, die höher ist als der Eingangsbereich.

Overranging (Bereichsüberschreitung): Die Fähigkeit, Werte außerhalb des nominalen Eingangsbereichs zu messen. Module mit Bereichsüberschreitung können etwas mehr als den angegebenen nominalen Bereich messen. Das Modul [c]FP-AI-110 hat einen Bereich von ±60 mV, allerdings können bis zu ±65 mV gemessen werden. Die zusätzlichen 5 mV sind die Bereichsüberschreitung. Bei Fehlerberechnungen sollte der gesamte Bereich (einschließlich der Bereichsüberschreitung) berücksichtigt werden. (Also bei [c]FP-AI-110 z. B. ±65 mV für Offset- und Verstärkungsberechnungen.)

ppm (Parts Per Million): Maß für die Abweichung. Um einen Wert in ppm in die entsprechende Einheit umzuwandeln, multipliziert man ppm mit 10–6. Beispielsweise

Relay Type (Relaistyp): Relaistypen sind SPST (Single-Pole Single-Throw), SPDT (Single-Pole Double-Throw), monostabil bzw. bistabil. Ein SPST-Relais öffnet oder schließt einen Schaltkreis. Ein SPDT-Relais schaltet einen Mittelkontakt (COM) zwischen einem Öffner (NO) und einem Schließer (NC) hin und her. Bistabile Relais behalten ihren Status bei, auch wenn das System abgeschaltet wird. Monostabile Relais schalten in den NC-Status, wenn abgeschaltet wird.

Resolution (Auflösung): Anzahl der Bits, die der Analog-Digital-Konverter (A/D-Wandler) benutzt, um ein analoges Signal darzustellen. Je höher die Auflösung, desto größer die Anzahl der Unterbereiche, in die der Gesamteingangsbereich aufgeteilt wird, und desto geringer die gerade noch messbare Spannungsänderung. Gängige Auflösungen für FieldPoint sind 12 bit, mit 212 (4.096) Unterbereichen für den spezifizierten Bereich, und 16 bit, mit 216 (65.536) Unterbereichen.

Slew Rate (Anstiegs-/Abfallzeiten): Die maximale Änderung pro Zeiteinheit bei einem Analogausgangskanal.

Transient Overvoltage (transiente Überspannung): Die höchste Spannungstransiente, die bis zu 60 Sekunden lang am Moduleingang anliegen kann, ohne andere Module im System zu beeinträchtigen.

Art des A/D-Wandlers: Verschiedene Anwendungen erfordern unterschiedliche A/D-Wandler, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Ein AC-Signal wird beispielsweise am besten mit einem Delta-Sigma-A/D-Wandler gemessen. Gängige A/D-Wandler verwenden sukzessive Approximation, Flash, Half-Flash, Integration oder Delta-Sigma.

Update Rate (Aktualisierungsrate): Die Geschwindigkeit, mit der das Modul alle seine Kanäle liest und seine Register aktualisiert.

Spezifikationen für die Stoß- und Vibrationsfestigkeit

Was ist der Unterschied zwischen Stößen und Vibration?

Ein Stoß ist eine relative seltene, abrupte oder plötzliche Erschütterung, die ein elektrisches Gerät treffen kann. Vibration ist eine konstantere Bewegung oder eine periodische sinusförmige Schwingung. Die Vibration ist meist ein praktischeres Maß für die Toleranz eines elektrischen Geräts gegenüber Bewegungen.

Was bedeuten die Spezifikationen für die Stoß- und Vibrationsfestigkeit?

Die Stoßspezifikationen entsprechen dem IEC-Standard 60068-2-27 (IEC, International Electrotechnical Commission), der für Komponenten, Geräte und andere elektromechanische Produkte gilt, die während des Transports oder des Betriebs ab und zu Stößen ausgesetzt sein könnten. Die Spezifikationen geben die Beschleunigung an, die ein FieldPoint-Modul bei ein paar aufeinander folgenden Stößen bei einer bestimmten Frequenz eine halbe Sinuskurve lang unbeschadet übersteht.

Die Vibrationsspezifikationen entsprechen den IEC-Standards 60068-2-6 für sinusförmige und 60068-2-34 für zufällige Vibrationen. Diese Standards spezifizieren die Robustheit von Komponenten, Geräten und anderen Produkten gegenüber bestimmten sinusförmigen und zufälligen Vibrationen. Sinusförmige Schwingungen sind weicher und periodischer, während zufällige Vibrationen unerwartet auftreten und unvorhersehbar sind. Sie sind außerdem rauer und entsprechen eher realen Situationen. Vibrationsspezifikationen liegen zwischen 10 und 500 Hz.

Hinweis: Compact-FieldPoint-Module werden in jeder möglichen Ausrichtung (d. h. auf jeder Seite liegend) auf ihre Stoß- und Vibrationsfestigkeit geprüft.

Häufige Fragen zu Spezifikationen von I/O-Modulen

Was ist der Unterschied zwischen „typisch“ und „maximal“?

Typische Spezifikationen beschreiben die erwartete Leistung, wenn das Modul erstmals in Betrieb genommen wird. Typische Spezifikationen können auch verwendet werden, nachdem ein FieldPoint-Modul neu kalibriert wurde. Maximale Spezifikationen beschreiben die Leistung unter schlechteren Bedingungen, nachdem das Modul unter normalen Betriebs- und Umgebungsbedingungen länger als vorgesehen in Betrieb war.

Wie werden typische und maximale Spezifikationen berechnet?

Typische und maximale Spezifikationen werden auf Grundlage der typischen und maximalen Spezifikationen der verwendeten Modulkomponenten und der Bedeutung der einzelnen Komponenten im Design berechnet.

Was ist der Unterschied zwischen „nominal“ und „Bereichsüberschreitung“?

Der nominale Bereich ist der ideale Bereich für einen Eingang oder Ausgang und wird für die Kompatibilität mit gängigen Modulanwendungen ausgewählt. Die Bereichsüberschreitung ermöglicht die Messung oder Erzeugung eines Signals über den nominalen Bereich hinaus. Es bietet Vorteile, wenn etwa ein externes Gerät nominal 4-20 mA ausgibt, der Maximalwert des Moduls jedoch 20,08 mA beträgt. Bereichsüberschreitung ermöglicht den Umgang mit Situationen, in denen Maximum und Minimum außerhalb des spezifizierten Bereichs liegen. Dank dieser Funktion wird auch vermieden, dass ein verrauschtes Signal in den Extremen des Bereichs keine Gleichrichtungsfehler verursacht.

Wie wird der Verstärkungsfehler berechnet?

Der Verstärkungsfehler berechnet sich aus dem Prozentsatz des Verstärkungsfehlers multipliziert mit dem Wert des Signals, das gemessen oder erzeugt wird. Als Beispiel soll hier ein [c]FP-AI-102 dienen, das ein unipolares Signal mit 50 V misst. Beträgt der typische Verstärkungsfehler 0,1 und der maximale Verstärkungsfehler 0,2 %, gilt:

 Wie wird der Offset-Fehler berechnet?

Die Menge des Offset-Fehlers wird zum Wert des gemessenen oder erzeugten Signals addiert, um typische oder maximale Werte zu bestimmen, die auftreten können. Misst etwa ein [c]FP-AI-102 ein unipolares Signal mit 50 V, beträgt der typische Offset-Fehler im Bereich von 0 bis 60 V ±0,05 V, der maximale Offset-Fehler liegt bei ±0,15 V.

Wie berechnet sich der maximale Fehler für einen Messwert?

Der maximale Fehler setzt sich aus maximalem Verstärkungsfehler und maximalem Offset-Fehler zusammen. So gilt für den maximalen Fehler der oben verwendeten 50-V-Messung mit [c]FP-AI-102 folgende Gleichung:

 Warum steht der insgesamt mögliche Fehler nicht in den Spezifikationen?

Der insgesamt mögliche Fehler wird nicht in den Spezifikationen aufgeführt, da diese v. a. vom jeweils gemessenen Signal abhängen. Der gewählte Eingangsbereich variiert in Abhängigkeit vom erwarteten maximalen Signalwert. Nach Auswahl des Bereichs können entsprechende Verstärkungs- und Offset-Fehler kombiniert werden, um den insgesamt möglichen Messfehler zu ermitteln.

Wie berechnet man die Genauigkeit (Accuracy) eines Moduls?

Die Genauigkeit von FieldPoint-Modulen ergibt sich aus der maximalen Differenz zwischen dem gemessenen Signal und dem tatsächlichen Signalwert.

 Wie berechnet man die Präzision eines Moduls?

Die Genauigkeit wird von der effektiven Auflösung bestimmt. Basierend auf der effektiven Auflösung des Moduls für einen bestimmten Bereich kann die Genauigkeit eines Moduls wie folgt berechnet werden:

 Wofür sind die Filtereinstellungen gedacht? Beeinflussen sie die Genauigkeit meiner Messungen?

Die Filtereinstellungen ermöglichen das Herausfiltern unerwünschter Frequenzen und die Eliminierung von Rauschen in Eingangssignalen. Messungen können dadurch verbessert werden, da so nur das Eingangssignal verstärkt oder digitalisiert wird. Die drei verfügbaren Filtereinstellungen sind 50, 60 oder 500 Hz. Die Filtereinstellungen von 50 und 60 Hz verwenden Notch-Filter, so dass genau 50 oder 60 Hz herausgefiltert werden. Damit kann ein Eingangskanal über den gesamten Messbereich 16 bit Auflösung beibehalten. Bei [c]FP-AI-110 und [c]FP-AI-111 kann die Auflösung mit dem 500-Hz-Filter bis auf 12 bit sinken.

Was ist der Unterschied zwischen Senke und Quelle bei Ein- und Ausgängen?
Ein typischer Schaltkreis umfasst eine Spannungsquelle, eine Last und eine Masse. Ein Digital-I/O (Input/Output, Eingang/Ausgang) als Senke liefert eine Masse für den Schaltkreis. Ein als Quelle fungierender Digital-I/O bildet die Spannungsquelle für den Schaltkreis. Im folgenden sind Quellen für nähere Informationen aufgeführt.

 

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