Tilpasning og beskyttelse af digitale og analoge processignaler

Inden for måle-, styrings- og reguleringsteknikken, kort MSR-teknikken, spiller den fejlfrie overførsel af signaler en central rolle. Signaloverførslen påvirkes af tiltagende elektrisk aktive omgivelser, især gælder dette for de svage måleværdisignaler, der leveres af sensorer.
Utilstrækkelig hensyntagen til disse støjpåvirkninger, fejltilpasninger eller andre planlægningsmangler påvirker en fejlfri signaloverførsel negativt.

Til produktsiden Procesvisninger og fieldkomponenter
Redskaber til temperaturmåling inden for procesindustrien
Raffinaderi fra luftperspektiv

Hvilke signaler drejer sig om?

Analogsignaler er elektriske spændings- og strømsignaler. En sensor kan enten oprette en elektrisk spænding eller ændre spændingsfaldet i målekredsen for at vise en fysisk størrelse, der ændrer sig.
I anlægs- og procesteknikken måles typisk følgende størrelser:

  • Temperatur
  • Tryk
  • Niveau gennemløbsmængde
  • Svingning/vibration
  • Deformering om belastningsmåling
  • Fugtighed
  • Gaskoncentration
  • Elektrofysiske størrelse som spænding, strøm, feltstyrke osv.

Målesignalbehandlingens stationer

MSR-teknikkens centrale område er den elektrosensoriske registrering, behandling og vurdering af tilstandsdata i omgivelserne eller et industrielt anlæg.
Hovedsageligt drejer sig om tre områder:

  1. Signaludvindingen i felten, som området, der skal overvåges og styres, benævnes
  2. Signalets betingelser i interfaceniveauet eller direkte i fieldniveauet ved hjælp af elektroniske komponenter til forstærkning, konvertering og til beskyttelse af signalvejsfejl
  3. Komponenter til forstærkning, konvertering og til beskyttelse af signalvejsfejl.
    Den analoge eller digitale signalbehandling i styringsniveauet på grund af en vurderings- eller styringsenhed.
Topologi: Analogt signal fra sensor til styring

Analogt signal fra sensor til styring

Skilleforstærkere og måleværdikonvertere

Skilleforstærkere og måleværdikonvertere

De elektroniske moduler for signalbehandling betegnes sammenfattende som skilleforstærker, signaladskiller eller måleværdikonverter. De kan have en eller flere af disse funktioner:

  • Forstærkning
  • Normering
  • Filtrering
  • Galvanisk adskillelse
  • Elektrisk forsyning af de tilsluttede komponenter
  • Ledningsovervågning

1. Signalforstærkning

En signalforstærkning kræves altid, når et signal er for svagt og kun kan registreres forfalsket eller dæmpet fra den tilsluttede analyseenhed.
Eksempel: Uden forstærker ville den ved målesignalgiveren tilsluttede belastning med 320 Ω være højere end dens tilladte maksimale belastning på 300 Ω. Målesignalgiveren kan ikke drive denne belastning, målesignalet blev forfalsket.
På grund af integrationen af en forstærker er den ved målesignalgiveren tilsluttede belastning med 70 Ω mindre end dens tilladte maksimale belastning på 300 Ω. Analyseenhedens indgangsmodstand på 300 Ω overbelaster heller ikke forstærkerudgangen, da den kan drive en belastning på op til 500 Ω. Målesignalet forfalskes ikke.

Signalforstærkning til fejlafhjælpning

2. Konvertering til et standardsignal

Analoge sensorsignaler kan i et interfacemodul konverteres til et af standardsignalerne afhængigt af måleopgaven. Konverteringens resultat skal være proportional med den målte indgangsværdi for ikke at forvrænge målingen.

Eksempel: Sensor eller transmitter leverer et 4-til-20-mA-standardsignal. Analyseenheden kræver et 0-til-10-V-signal. Standardsignalkonverteren, der er koblet mellem transmitter og analyseenhed, udfører den krævede tilpasning.

 Eksempel konvertering til et standardsignal

Eksempel konvertering til et standardsignal

3. Filtrering

I ledninger til måleværdioverførsel kan der opstå støjspændinger, eksempelvis på grund af elektromagnetisk induktion eller højfrekvente signalers påvirkning i industriomgivelser af f. eks. frekvensomformere. Fejlene er særdeles udpræget, når spændingssignalerne berøres.
Eksempel: Skilleforstærkeren med filterfunktion registrerer og undertrykker støjspændinger i et bredt frekvensspektrum.
Derudover er det nyttigt at anvende snoede eller skærmede ledninger. Snoede ledninger hjælper med at reducere inducerede støjspændinger, og ved hjælp af skærmede ledninger reflekteres og absorberes elektriske felter yderligere. Konverteringen af et spændingssignal skal ske i et strømsignal for at forebygge de nævnte fejl yderligere.

Signalfiltrering

Eksempel signalfiltrering

4. Galvanisk adskillelse

En galvanisk adskilt signalforbindelse betegnes som potentialfri forbindelse, da der ikke strømmer nogen udligningsstrømme imellem potentialforskelle. Den galvaniske adskillelse af fieldstrømkredse og styrestrømkredse har etableret sig som standard inden for anlægs- og procesindustrien.

Eksempel
Problem: Transmitter og analyseenhed er jordede, men har forskelligt jordpotentiale. En udligningsstrøm lg strømmer igennem den opståede jordstrømssløjfe og forfalsker dermed målesignalet l1.

Eksempel jordstrømsløjfe

Eksempel jordstrømsløjfe

Efter integration af en galvanisk signaladskiller, f. eks. en overførsel, i tilslutningsledningerne for målesignalet flyder der ikke længere nogen udligningsstrøm lg. Det med målesignalet l1 identiske l2 måles.

Eksempel: Galvanisk adskillelse, ingen jordstrømsløjfe

Eksempel på galvanisk adskillelse, ingen jordstrømsløjfe

5. Ledningsovervågning

Ledningsovervågningen er integreret som ekstra funktion i mange interfacemoduler. Overvågningsfunktionen på ledningsafbrydelsen og kortslutning er specificeret nærmere i NAMUR-anbefalingerne NE 21 for interessefællesskabet automatiseringsteknikken for procesindustrien.
Grafikken viser skematisk, hvordan en ledningsovervågning anvendes på hele signaloverførselsvejen fra sensor til analyseenheden.
Dermed sørger 400-til-2-kΩ-modstanden for en maksimalstrøm ved lukket switch, der er mindre end kortslutningsstrømmen. 10 kΩ-modstanden sørger for en hvilestrøm ved åben switch. Ved et ledningsbrud er strømmen = 0.

Ledningsovervågning

Eksempel ledningsovervågning

Elektrisk forsyning og adskillelse af signalveje

Ved indgangsklemmer for en skilleforstærker eller en analyseenhed skelnes mellem passiv og aktiv indgang, afhængigt af, om den tilsluttede sensor eller transmitter råder over en egen strømforsyning eller forsynes over en sensorsignalledningerne.

Passiv indgang

Signalindgangen har alene funktionen med at modtage signalet. I eksemplet har skilleforstærker og analyseenhed passive indgange. Den aktive sensor eller transmitter (med fire tilslutninger) forsyner skilleforstærkerens passive indgang. Skilleforstærkerens aktive udgang forsyner analyseenhedens passive indgang.

Eksempel på en passiv signalindgang

Eksempel på en passiv signalindgang

Aktiv indgang

Signalindgangen har to funktioner: På den ene side modtagelse af signalet og på den anden side signalgiverens strømforsyning.
I eksemplet har skilleforstærkeren en aktiv indgang. Den forsyner 2- eller 3-ledersensoren eller -transmitteren. Skilleforstærkerens aktive udgang forsyner analyseenhedens passive indgang (som i forrige eksempel). Komponenter, der skal forsynes elektrisk, kan forsynes af særskilte strømforsyninger eller via signalledningerne.

Eksempel aktiv signalindgang

Eksempel aktiv signalindgang

Passiv isolation, indgangssløjfeforsynet

Skilleforstærkerforsyning via en signalindgang med transmitteren (indgangssløjfeforsynet).
Signalveje mellem aktiv sensor eller transmitter (4-leder-tilslutning) og skilleforstærkere er her ikke adskilt af transmitterforsyningen. Den aktive sensor/transmitter overtager i dette tilfælde forsyningen af skilleforstærkeren.
Sensoren/transmitteren skal drive hele belastningen fra skilleforstærkeren og indgangen for analyseenheden.
Kun egnet til 4-til-20-mA-signaler.

Eksempel på passiv isolation, indgangssløjfeforsynet

Eksempel på passiv isolation, indgangssløjfeforsynet

Passiv isolation, udgangssløjfeforsynet

Skilleforstærkerforsyningen sker i dette tilfælde via signaludgangen ved hjælp af analyseenheden (udgangssløjfeforsynet).
Signalvejen mellem sensor eller transmitter (4-leder-tilslutning) og skilleforstærker er adskilt af transmitterforsyningen.
Signalvejen mellem skilleforstærker og analyseenhed er ikke adskilt af analysenhedens forsyning. Analyseenheden overtager i dette tilfælde forsyningen af skilleforstærkeren. Kun egnet til 4-til-20-mA-signaler.

Eksempel passiv isolation, udgangssløjfeforsynet

Eksempel passiv isolation, udgangssløjfeforsynet