Digitaalisten ja analogisten prosessisignaalien sovittaminen ja suojaaminen

Laitteistot prosessiteollisuuden lämpötilanmittaukseen

Mittaus-, säätö- ja ohjaustekniikassa (MSO-tekniikka) signaalien häiriöttömällä siirrolla on keskeinen rooli. Sähköisesti yhä aktiivisempi ympäristö vaikuttaa signaalin siirtoon. Tämä koskee erityisesti heikkoja mittausarvosignaaleja, joita anturit lähettävät. Näiden häiriösuureiden riittämätön huomioon ottaminen, virheelliset sovitukset tai muut suunnittelun puutteet vaikuttavat negatiivisesti virheettömään signaalinsiirtoon.

Signaalityypit ja signaalinkäsittely


Jalostamo lintuperspektiivistä

Mistä signaaleista on kyse?

Analogiset signaalit ovat sähköisiä jännite- ja virtasignaaleja. Muuttuvan fysikaalisen suureen kuvaamista varten anturi voi tuottaa joko sähköjännitettä tai muuttaa jännitehäviön mittauspiirissä.

Järjestelmä- ja prosessitekniikassa mitataan tavallisesti seuraavia suureita:

  • Lämpötila
  • Paine
  • Täyttötaso virtaama
  • Heilahtelu/tärinä
  • Muodonmuutos suhteessa kuormituksen mittaukseen
  • Kosteus
  • Kaasupitoisuus
  • Sähköfysikaaliset suureet, kuten jännite, virta, kentän voimakkuus jne.

Mittaussignaalin sovitusasemat

MSO-tekniikan keskeinen alue on ympäristön tai teollisuusjärjestelmän tilatietojen mittaaminen, käsittely ja analysointi sähköisillä antureilla.

Lähinnä kyse on näistä kolmesta alueesta:

  1. Signaalintuotanto kentällä, joksi valvottua ja ohjattavaa aluetta nimitetään
  2. Signaalin muokkaus interface-tasolla tai suoraan kenttätasolla elektronisten komponenttien avulla vahvistamista, muuntamista ja signaalireitin häiriöiltä suojaamista varten
  3. Analoginen tai digitaalinen signaalinkäsittely ohjaustasolla analysointi- tai ohjausyksikön avulla.
Topologia: analoginen signaali anturista ohjaukseen

Analoginen signaali anturista ohjaukseen

Erotusvahvistimet ja mittausmuuntimet


MINI Analog Pro ja MACX Analog -tuoteperheiden erotusvahvistimet ja mittausmuuntimet DIN-kiskolla

Erotusvahvistimien ja mittausmuuntimien toiminnot

Signaalien sovituksen elektronisia moduuleja kutsutaan yhteisesti erotusvahvistimiksi, signaalinerottimiksi tai mittausmuuntimiksi.

Laitteilla voi olla yksi tai useampi näistä tehtävistä:

1. Signaalien vahvistaminen

Signaalien vahvistamista vaaditaan aina, kun signaali on liian heikko, ja liitetty analysointiyksikkö pystyy rekisteröimään sen vain muunnettuna tai vaimennettuna.

Esimerkki:
Ilman vahvistinta mittaussignaaligeneraattoriin liitetty kuorma, 320 Ω, olisi suurempi kuin sen suurin sallittu kuorma 300 Ω. Mittaussignaaligeneraattori ei kestä tätä kuormaa, ja mittaussignaali vääristyisi.
Lisäämällä vahvistin mittaussignaaligeneraattoriin liitetty kuorma, 70 Ω, on pienempi kuin sen suurin sallittu kuorma 300 Ω. Analysointiyksikön tulovastus 300 Ω ei myöskään ylikuormita vahvistinlähtöä, sillä se kestää jopa 500 Ω:n kuorman. Mittaussignaali ei vääristy.

Signaalien vahvistaminen viankorjausta varten

Beispiel Signalverstärkung zur Fehlerbeseitigung

2. Muuntaminen normisignaaliksi

Analogisia anturisignaaleja voidaan muuntaa interface-moduulissa mittaustehtävästä riippuen joksikin normisignaaliksi. Tällöin muunnoksen tuloksen on oltava suhteessa mitattuun tuloarvoon, jotta mittaus ei vääristy.

Esimerkki:
Anturi tai lähetin toimittaa 4...20 mA:n normisignaalin. Analysointiyksikkö tarvitsee 0...10 V:n signaalin. Lähettimen ja analysointiyksikön väliin kytketty normisignaalinmuunnin suorittaa vaadittavan signaalimuunnoksen.

 Esimerkki muuntamisesta normisignaaliksi

Esimerkki muuntamisesta normisignaaliksi

3. Suodatus

Mittausarvojen siirron johdoissa voi esiintyä häiriöjännitteitä esimerkiksi sähkömagneettisen induktion tai suurtaajuuksisten signaalien vaikutuksesta esimerkiksi taajuusmuuttajien teollisuusympäristöissä. Häiriöt ovat erityisen selkeitä, kun kyseessä ovat jännitesignaalit.

Esimerkki:
Suodatustoiminnolla varustettu erotusvahvistin tunnistaa ja vaimentaa häiriöjännitteitä laajalla taajuusalueella.
On myös hyödyllistä käyttää kierrettyjä tai häiriösuojattuja kaapeleita. Kierretyt kaapelit auttavat vähentämään indusoitunutta häiriöjännitettä, ja häiriösuojatuilla kaapeleilla lisäksi heijastetaan ja absorboidaan sähköisiä kenttiä. Jotta mainittuja häiriöitä voidaan ehkäistä vielä lisää, jännitesignaali tulee muuntaa virtasignaaliksi.

Signaalien suodatus

Esimerkki signaalien suodatuksesta

4. Galvaaninen erotus

Galvaanisesti erotettua signaaliyhteyttä nimitetään potentiaalivapaaksi yhteydeksi, koska sen kautta ei kulje tasausvirtoja potentiaalierojen välillä. Kenttävirtapiirien ja ohjauspiirien galvaaninen erotus on muodostunut järjestelmä- ja prosessiteollisuudessa standardiksi.

Esimerkki:
Ongelma: lähetin ja analysointiyksikkö on maadoitettu, mutta niillä on kuitenkin eri maapotentiaalit. Tasausvirta Ig kulkee syntyneen maavirtasilmukan läpi ja väärentää siten mittaussignaalin I1.

Esimerkki maavirtasilmukasta

Esimerkki maavirtasilmukasta

Galvaanisen signaalinerottimen, esimerkiksi muuntimen, liitäntäjohtoihin lisäämisen jälkeen mittaussignaalille ei kulje enää tasausvirtaa Ig. Mitataan mittaussignaalin I1 kanssa identtinen I2.

Esimerkki: galvaaninen erotus, ei maavirtasilmukkaa

Esimerkki galvaanisesta erotuksesta, ei maavirtasilmukkaa

5. Johtovalvonta

Johtovalvonta on integroitu lisätoiminnoksi moniin liitäntämoduuleihin. Johtokatkosten ja oikosulkujen valvontatoiminto on eritelty tarkemmin prosessiteollisuuden automaatiotekniikan yhteenliittymän NAMUR-suosituksissa NE 21.

Esimerkki:
Grafiikka näyttää kaaviomaisesti, miten johtovalvontaa käytetään koko signaalinsiirtoreitillä anturista analysointiyksikköön.
Siinä 400...2 kΩ:n vastus huolehtii kytkimen kiinni ollessa maksimivirrasta, joka on pienempi kuin oikosulkuvirta. 10 kΩ:n vastus huolehtii lepovirrasta, kun kytkin on auki. Johtorikon sattuessa virta = 0.

Johtovalvonta

Esimerkki johtovalvonnasta

Signaalireittien syöttö ja erotus


Signaalireittien sähkön syöttö ja erotus

Erotusvahvistimen tai analysointiyksikön tuloliittimissä tehdään ero passiivisen ja aktiivisen tulon välillä riippuen siitä, onko liitetyllä anturilla tai lähettimellä oma teholähde vai syötetäänkö sitä anturin signaalijohtojen kautta.

Passiivinen tulo

Passiivisella signaalitulolla on tehtävänä ainoastaan signaalin vastaanotto.

Esimerkki:
Esimerkissä erotusvahvistimessa ja analysointiyksikössä on passiiviset tulot. Aktiivinen anturi tai lähetin (jossa on neljä liitäntää) syöttää erotusvahvistimen passiivista tuloa. Erotusvahvistimen aktiivinen lähtö syöttää analysointiyksikön passiivista tuloa.

Esimerkki passiivisesta signaalitulosta

Esimerkki passiivisesta signaalitulosta

Aktiivinen tulo

Aktiivisella signaalitulolla on kaksi tehtävää: signaalin vastaanotto ja signaaligeneraattorin tehonsyöttö.

Esimerkki:
Esimerkiksi erotusvahvistimessa on yksi aktiivinen tulo. Se syöttää 2- tai 3-johtimista anturia tai lähetintä. Erotusvahvistimen aktiivinen lähtö syöttää analysointiyksikön passiivista tuloa (kuten edellisessä esimerkissä). Komponentteihin, jotka vaativat sähkön syöttöä, voidaan syöttää tehoa erillisillä teholähteillä tai signaalijohtojen kautta.

Esimerkki aktiivisesta signaalitulosta

Esimerkki aktiivisesta signaalitulosta

Passiivinen eristys, tulosilmukkasyöttö

Erotusvahvistinsyöttö signaalitulon kautta lähettimen avulla (tulosilmukkasyöttö). Sopii vain 4...-20 mA:n signaaleille.

Esimerkki:
Signaalireittejä aktiivisen anturin tai lähettimen (4-johdinliitäntä) ja erotusvahvistimen välillä ei ole tässä erotettu lähettimen syötöstä. Aktiivinen anturi/lähetin huolehtii tässä tapauksessa erotusvahvistimen syötöstä.
Anturin/lähettimen on kestettävä koko erotusvahvistimen ja analysointiyksikön tulon kuorma.

Esimerkki passiivisesta eristyksestä, tulosilmukkasyöttö

Esimerkki passiivisesta eristyksestä, tulosilmukkasyöttö

Passiivinen eristys, lähtösignaalisyöttö

Erotusvahvistimen syöttö tapahtuu tässä tapauksessa signaalilähdön kautta analysointiyksikön avulla (lähtösilmukkasyöttö). Sopii vain 4...20 mA:n signaaleille.

Esimerkki:
Anturin tai lähettimen (4-johtiminen liitäntä) ja erotusvahvistimen välinen signaalireitti on erotettu lähettimen syötöstä.
Erotusvahvistimen ja analysointiyksikön välistä signaalireittiä ei ole erotettu analysointiyksikön syötöstä. Analysointiyksikkö ottaa tässä tapauksessa hoitaakseen erotusvahvistimen syötön.

Esimerkki passiivisesta eristyksestä, lähtösilmukkasyöttö

Esimerkki passiivisesta eristyksestä, lähtösilmukkasyöttö