Grundlagen zur Funktion

Mit den präzisen Analogeingangsklemmen KL3172 können zwei Spannungen (KL3132, KL3162, KL3172, KL3182) bzw. zwei Ströme (KL3142, KL3152) gemessen und mit einer Auflösung von 16 Bit (65535 Schritte) dargestellt werden. Die hochgenaue Messwertaufnahme wird durch zyklische Selbstkalibrierung gewährleistet.

Die Eingänge sind standardmäßig als Differentialeingänge geschaltet. Bei den Klemmen KL3132, KL3162, KL3172 und KL3182 kann die Klemmstelle -E1 des ersten Kanals mit Bit R32.6 des Feature-Registers auf die interne Analogmasse geschaltet werden.

Spezifikation

Die Spezifikationswerte sind gültig nach mind. 30 Minuten Aufwärmzeit. Die Selbstkalibrierung kompensiert weitgehend interne Drifts, die interne Referenz ist aber (wie jedes elektronische Bauteil) geringfügig temperaturabhängig und muss sich stabilisieren.

Die Kanäle der KL31x2 sind nicht galvanisch getrennt. Beachten Sie CommonMode-Effekte.

Prozessdaten

Analogwerte werden wie folgt dargestellt:

Eingangssignal						Wert
KL3142-0000	KL3152-0000	KL3162-0000	KL3172-0000	KL3172-0500	KL3172-1000	dez	hex
0 mA	4 mA	0 V	0 V	0 V	0 V	0	0x0000
20 mA	20 mA	10 V	2 V	500 mV	1 V	65535	0xFFFF
Eingangssignal						Wert
KL3132-0000			KL3182-0000			dez	hex
-10 V			-2 V			-32768	0x8000
+10 V			+2 V			+32767	0x7FFF

Berechnung

Die Klemme nimmt permanent Messwerte auf und legt die Rohwerte ihres A/D-Wandlers ins Register R0 (RAM). Nach jeder Erfassung des Analogsignals erfolgt die Korrekturberechnung mit den Abgleich- und ggf. mit den Kalibrierwerten. Anschließend folgt noch die Hersteller- und die Anwenderskalierung:

Y_A = (X_ADC + B_A) x A_A	(1.0)	Hersteller-Abgleich (bei deaktivierter Kalibrierung)
Y_A = ((X_ADC + B_K) x A_A) x (A_GK / A_K)	(1.1)	Hersteller-Abgleich / Kalibrierung (bei aktivierter Kalibrierung)
Y_H = Y_A x A_H + B_H	(1.2)	Hersteller-Skalierung
Y_aus = Y_H x A_W + B_W	(1.3)	Anwender-Skalierung

Legende

Name	Bezeichnung	Einheit	Register
X_ADC	Ausgabe Wert des A/D-Wandlers	[1]	-
Y_aus	Prozessdaten zur Steuerung	[1]	-
B_A	Hersteller-Abgleich: Offset (deaktivierbar über Bit R32.5 des Feature-Registers)	[1]	R17
A_A	Hersteller-Abgleichs: Gain (immer aktiv)	[1 x 2^-16 + 1]	R18
B_K	Kalibrierung: Offset (aktivierbar über Bit R32.5 des Feature-Registers)	[1]	R1
A_K	Kalibrierung: Gain (aktivierbar über Bit R32.5 des Feature-Registers)	[1]	R2
A_GK	Grundkalibrierung: Gain (aktivierbar über Bit R32.5 des Feature-Registers)	[1]	R23
B_H	Hersteller-Skalierung: Offset (aktivierbar über Bit R32.1 des Feature-Registers)	[1]	R19
A_H	Hersteller-Skalierung: Gain (aktivierbar über Bit R32.1 des Feature-Registers)	[1 x 2^-8 + 1]	R20
B_W	Anwender-Skalierung: Offset (aktivierbar über Bit R32.0 des Feature-Registers)	[1]	R33
A_W	Anwender-Skalierung: Gain (aktivierbar über Bit R32.0 des Feature-Registers)	[1 x 2^-8 + 1]	R34

Kalibrierung

Die Analogkanäle werden periodisch einer Selbstkalibrierung unterzogen. Dabei wird das Feldsignal elektrisch von der internen Erfassung (ADC) getrennt, stattdessen werden interne Referenzspannungen angelegt und so wesentliche Schaltungsteile erfasst. Lediglich die feldnahen Entstörglieder (L/C-Kombination) und die Analogschalter selber können nicht erfasst werden. Ziel dabei ist Temperaturdrifteffekte zu kompensieren.

Hinweis

Außenwirkung der Feldabtrennung

Die beschriebene Trennung der internen Schaltung vom Signal kann Rückwirkungen auf das Feldsignal haben! Bei normaler also zugeschalteter Messung fließt durch die KL31x2 in jedem Fall ein Strom, der die Quelle belastet. Dieser entfällt, während die Klemme in Selbstkalibrierung ist. Prüfen Sie das Verhalten der Signalquelle (Sensor, Kalibrator) ggf. mit einem separaten Messgerät in den Laständerungsmomenten, ob Über-/Unterspannungen oder kurzzeitige Glitches/Peaks auftreten.

Das Kalibrierintervall wird in 100 ms Schritten mit Register R40 eingestellt. Während der Kalibrierung

liegen keine aktuellen Prozessdaten an, sondern der Wert 0.
wird von der Klemme das SB1.6 im Status-Byte gesetzt
die RUN-LED (grün) gelöscht und Error (rot) gesetzt

Die Kalibrierung kann von der Steuerung über das Control-Byte CB1.1 gesperrt werden, falls dies erforderlich ist. Falls die Kalibrierung über einen längeren Zeitraum gesperrt wird, führt die Klemme eine Zwangskalibrierung durch, um durch Temperaturänderungen eventuell auftretende Spannungs-Drifts auszugleichen. Das Intervall der Zwangskalibrierung wird mit Register R44 als Vielfaches vom Kalibrierintervall vorgegeben. Ist eine weitere Kalibrierung zwischen zwei Zyklen erforderlich, kann diese manuell durch Setzen des Bits CB1.0 gestartet werden. Die Klemme verhält sich dann genauso, als wenn sie selbst eine Kalibrierung ausgelöst hätte.

	Schwankende Messsignale stören die Selbstkalibrierung Die Klemme prüft in der Kalibrierungsphase per Stabilisierungsprüfung, ob das Eingangssignal stabil ist. Stark schwankende Messsignale verhindern eine Beendigung der Selbstkalibrierung, sie bleibt mit Error=1 und Overload/Underload=1 stehen, siehe Kapitel Grundlagen zur Funktion/ Kalibrierung und Zugriff aus dem Anwenderprogramm/ Status‑Byte 1 (bei Prozessdatenbetrieb). Wird an der Anlage ein derartiges Signal erwartet kann wahlweise die Selbstkalibrierung per Control-Bit CB1.1 im Prozess gesperrt werden bis ein ruhiges Signal anliegt und die Selbstkalibrierung durchläuft. die Stabilisierungsprüfung mit Bit R32.7 abgeschaltet werden. die Anzeige des Stabilisierungsfehlers mit Bit R32.14 abgeschaltet werden. das Toleranzfenster R48 der Stabilisierungskontrolle vergrößert werden.

Die Funktionalität der Kalibrierung mit allen Eigenschaften bezieht sich immer auf beide Kanäle gleichzeitig! Die Kanäle können nicht einzeln kalibriert werden. Aus diesem Grund sind die Register R40, R44, R47 und R48 für beide Kanäle nur einmal ausgeführt.

In der ersten Kalibrierphase werden beide Analogeingänge mit einer Eingangsspannung von 0 V (Null-Kalibrierung) beaufschlagt. Somit können die Nullpunkte beider Analogeingangsstufen ermittelt werden. Bei dieser Messung ist der jeweilige Absolutwert, der Kanäle von Interesse. Der Wert wird anschließend im RAM (Register R1) abgelegt.
In der zweiten Kalibrierphase werden beide Analogeingänge mit einer internen Referenzspannung von ca. 1,8 V (End-Kalibrierung) beaufschlagt. Hier interessiert nicht mehr der Absolutwert des Messergebnisses, sondern nur noch die eventuelle Abweichung des bei der Produktion ermittelten Grundkalibrierwertes (Register R23). Diese werden ins Verhältnis gesetzt und fließen in die nächste Korrekturrechnung ein. Der Wert wird anschließend im RAM (Register R2) abgelegt.

Stabilisierung der Kalibrierung

Während der Kalibrierung wird eine Stabilisierung der Offset- und Gain-Werte durchgeführt. Erst wenn eine gewisse Anzahl (durch Register R47 vorgegeben) an Messwerten innerhalb einer bestimmten Toleranz (durch Register R48 vorgegeben) liegt, werden die Kalibrierwerte übernommen. Dadurch wird eine weitere Steigerung der Genauigkeit erreicht. Diese Funktion kann durch das Bit R32.7 deaktiviert werden.

Grenzwerte

Die Klemme bietet die Möglichkeit der Überwachung von zwei Grenzwerten pro Kanal. Grenzwert 1 kann über Register R35 und Grenzwert 2 über Register R36 vorgegeben werden. Aktiviert werden sie durch Bits im Feature-Register R32.9 und R32.10. Der Status des aktuellen Prozessdatenwertes wird der Steuerung durch das Status-Byte SB1 signalisiert. Mögliche Zustände sind: Prozessdaten gleich Grenzwert (3), Prozessdaten kleiner Grenzwert (2) und Prozessdaten größer Grenzwert (1).

Begrenzung des Messbereichs

Die Klemme signalisiert der übergeordneten Steuerung eine Über- und Unterschreitung des Messbereichs im Status-Byte.

Ist der aktuelle Messwert größer als 0xFFFF bzw. 0x7FFF wird das Bit SB1.1 gesetzt.
Ist der aktuelle Messwert kleiner als 0 bzw. 0x8000 wird das Bit SB1.0 gesetzt.

In beiden Fällen leuchtet die ERROR-LED des jeweiligen Kanals. Diese Funktion kann durch das Bit R32.8 deaktiviert werden.

Differentielle Messung

Bei den KL3132, KL3162, KL3172, KL3182 kann mit Bit R32.6 die differentielle Messung deaktiviert werden. Dann wird bei Kanal 1 und 2 intern der Input- auf GND an Klemmpunkt 3/7 geschaltet, dieser ist dann entsprechend außen zu verdrahten.