Přizpůsobení a ochrana digitálních a analogových signálů procesů

V měřicí, ovládací a regulační technice (technika MaR) hraje bezporuchový přenos signálů hlavní roli. Přenos signálu je negativně ovlivňován stále aktivnějším elektrickým prostředím. To platí zejména pro slabé signály naměřených hodnot, které dodávají snímače.
Nedostatečné zohlednění těchto poruchových veličin, přizpůsobení chyb nebo jiné nedostatky plánování narušují bezchybný přenos signálu.

Přejít k seznamu produktů Zobrazení procesu a polní přístroje
Přístroje k měření teploty ve zpracovatelském průmyslu
Rafinerie z ptačí perspektivy

O jaké signály se jedná?

Analogové signály jsou signály elektrického napětí a proudu. Pro zobrazení měnící se fyzikální veličiny může snímač buď vytvářet elektrické napětí, nebo změnit pokles napětí v měřicím obvodu.
V technologii zařízení a v procesní technologii se obvykle měřeny tyto veličiny:

  • Teplota
  • Tlak
  • Hladina, průtok
  • Kmitání/vibrace
  • Deformace k měření zátěže
  • Vlhkost
  • Koncentrace plynu
  • Elektrofyzikální veličiny jako napětí, proud, intenzita pole atd.

Stanice zpracování měřicích signálů

Hlavní oblastí měřicí a regulační techniky je elektrosenzorické zaznamenávání, příprava a vyhodnocování dat o stavu v okolním prostředí nebo v průmyslovém zařízení.
Především jde o tyto 3 oblasti:

  1. Monitorovaná a ovládaná oblast – tzv. získávání signálu v poli
  2. Úprava signálu na úrovni rozhraní nebo přímo v úrovni pole pomocí elektronických komponent k zesilování, převádění a ochraně cest signálu před rušením
  3. Komponenty k zesilování, převádění a ochraně cest signálu před rušením.
    Analogové nebo digitální zpracování signálu na úrovni řízení prostřednictvím vyhodnocovací a řídicí jednotky.
Topologie: Analogový signál od snímače po řídicí jednotku

Analogový signál od snímače po řídicí jednotku

Oddělovací zesilovače a měřicí převodníky

Oddělovací zesilovače a měřicí převodníky

Elektronické moduly pro úpravu signálu se souhrnně označují jako oddělovací zesilovače, oddělovače signálu nebo měřicí převodníky. Mohou plnit jednu nebo více z následujících funkcí:

  • Zesílení
  • Normování
  • Filtrace
  • Galvanické oddělení
  • Elektrické napájení připojených komponent
  • Monitorování vedení

1. Zesílení signálu

Zesílení signálu je zapotřebí všude, kde je signál příliš slabý a připojená vyhodnocovací jednotka jej může zaznamenat pouze zkresleně nebo tlumeně.
Příklad: Bez zesilovače by byla zátěž o hodnotě 320 Ω připojená k vysílači měřicího signálu vyšší než je jeho přípustné maximální zatížení 300 Ω. Vysílač měřicího signálu tuto zátěž nedokáže vybudit, měřicí signál by se zkreslil.
Po vložení zesilovače je zátěž o hodnotě 70 Ω připojená k vysílači měřicího signálu nižší než jeho přípustné maximální zatížení 300 Ω. Vstupní odpor vyhodnocovací jednotky o hodnotě 300 Ω také nepřetěžuje výstup zesilovače, protože dokáže vybudit zátěž o hodnotě až 500 Ω. Měřicí signál se nezkreslí.

Zesílení signálu pro odstranění chyb

2. Převod na standardní signál

Analogové signály snímačů lze v závislosti na úkolu měření převést na některý ze standardních signálů v modulu rozhraní. Výsledek převodu musí být úměrný naměřené vstupní hodnotě, aby nedošlo ke zkreslení měření.

Příklad: Snímač nebo vysílač dodává standardní signál 4–20 mA. Vyhodnocovací jednotka potřebuje signál 0–10 V. Převodník standardního signálu připojený mezi vysílačem a vyhodnocovací jednotkou provede požadované přizpůsobení.

 Příklad: Převod na standardní signál

Příklad: Převod na standardní signál

3. Filtrace

Ve vedení k přenosu naměřených hodnot se může vyskytnout rušivé napětí, např. v důsledku elektromagnetické indukce nebo působení vysokofrekvenčních signálů, v průmyslovém prostředí např. z frekvenčních měničů. Poruchy jsou zvlášť výrazné, pokud postihují signály napětí.
Příklad: Oddělovací zesilovač s funkcí filtru detekuje a potlačí rušivé napětí v širokém frekvenčním spektru.
Doplňkově je také užitečné použít kroucené nebo stíněné vodiče. Kroucené vodiče pomáhají snižovat indukované rušivé napětí a stíněné vodiče navíc odrážejí a absorbují elektrická pole. Aby bylo možné uvedeným poruchám zabránit ještě lépe, měl by proběhnout převod napěťového signálu na proudový signál.

Filtrace signálu

Příklad filtrace signálu

4. Galvanické oddělení

Galvanicky oddělené připojení signálu se označuje jako bezpotenciálové připojení, protože přes něj neprotékají žádné vyrovnávací proudy mezi rozdíly potenciálu. Galvanické oddělení proudových obvodů pole a ovládacích proudových obvodů se rozšířilo jako standard do průmyslových zařízení a zpracovatelského průmyslu.

Příklad
Problém: Vysílač a vyhodnocovací jednotka jsou uzemněné, ale vykazují rozdílný potenciál země. Vyrovnávací proud Ig protéká vzniklou zemní smyčkou, a tím měřicí signál I1 zkresluje.

Příklad zemní smyčky

Příklad zemní smyčky

Po vložení galvanického oddělovače signálu, např. přenosového členu, do přípojného vedení pro měřicí signál již žádný vyrovnávací proud Ig neprotéká. Měří se I2 identické s měřicím signálem I1.

Příklad: Galvanické oddělení, žádná zemní smyčka

Příklad Galvanické oddělení, žádná zemní smyčka

5. Monitorování vedení

Monitorování vedení bývá integrováno jako doplňková funkce v mnoha modulech rozhraní. Funkce monitorování přerušení vedení a zkratu je blíže specifikována v doporučení NAMUR NE 21 zájmového sdružení automatizační techniky zpracovatelského průmyslu.
Graf znázorňuje, jak se monitorování vedení používá v celé přenosové cestě signálu od snímače až po vyhodnocovací jednotku.
Odpor 400–2 000 Ω při tom zajišťuje maximální proud při sepnutém přepínači, který je menší než zkratový proud. Odpor 10 kΩ zajišťuje klidový proud při rozpojeném přepínači. V případě přetržení vedení je velikost proudu 0.

Monitorování vedení

Příklad: Monitorování vedení

Elektrické napájení a oddělování cest signálu

Na vstupních svorkách oddělovacího zesilovače nebo vyhodnocovací jednotky se rozlišuje mezi pasivním a aktivním vstupem, na základě toho, zda je připojený snímač nebo vysílač napájen z vlastního napájecího zdroje, nebo ze signálního vedení snímače.

Pasivní vstup

Jedinou funkcí vstupu signálu je přijímat signál. V příkladu mají oddělovací zesilovač a vyhodnocovací jednotka pasivní vstupy. Pasivní vstup oddělovacího zesilovače je napájen aktivním snímačem nebo vysílačem (se 4 přípojkami). Pasivní vstup vyhodnocovací jednotky je napájen aktivním výstupem oddělovacího zesilovače.

Příklad pasivního vstupu signálu

Příklad pasivního vstupu signálu

Aktivní vstup

Vstup signálu má dvě funkce: příjem signálu a napájení generátoru signálu energií.
V tomto příkladu má oddělovací zesilovač aktivní vstup. Napájí 2vodičový nebo 3vodičový snímač nebo vysílač. Aktivní výstup oddělovacího zesilovače napájí pasivní vstup vyhodnocovací jednotky (jako v předchozím příkladu). Komponenty, které musí být napájeny elektrickou energií, lze napájet ze samostatných napájecích zdrojů nebo přes signální vedení.

Příklad aktivního vstupu signálu

Příklad aktivního vstupu signálu

Pasivní izolace, napájení ze vstupní smyčky

Napájení oddělovacího zesilovače vysílačem prostřednictvím vstupu signálu (napájení ze vstupní smyčky).
Cesty signálu mezi aktivním snímačem nebo vysílačem (4vodičové připojení) a oddělovacím zesilovačem zde nejsou oddělené od napájení vysílače. V tomto případě přebírá napájení oddělovacího zesilovače aktivní snímač/vysílač.
Snímač/vysílač musí napájet celou zátěž z oddělovacího zesilovače a vstupu vyhodnocovací jednotky.
Vhodné pouze pro signály 4–20 mA.

Příklad pasivní izolace, napájení ze vstupní smyčky

Příklad pasivní izolace, napájení ze vstupní smyčky

Pasivní izolace, napájení z výstupní smyčky

V tomto případě je oddělovací zesilovač napájen přes signální výstup z vyhodnocovací jednotky (napájení z výstupní smyčky).
Cesta proudu mezi snímačem nebo vysílačem (4vodičové připojení) a oddělovacím zesilovačem je oddělená od napájení vysílače.
Cesta proudu mezi oddělovacím zesilovačem a vyhodnocovací jednotkou není oddělená od napájení vyhodnocovací jednotky. V tomto případě přebírá vyhodnocovací jednotka napájení oddělovacího zesilovače. Vhodné pouze pro signály 4–20 mA.

Příklad pasivní izolace, napájení z výstupní smyčky

Příklad pasivní izolace, napájení z výstupní smyčky