Digitaalisten ja analogisten prosessisignaalien sovittaminen ja suojaaminen

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. Komponentit vahvistamista, muuntamista ja signaalireitin häiriöiltä suojaamista varten
   Analoginen tai digitaalinen signaalinkäsittely ohjaustasolla analysointi- tai ohjausyksikön avulla.

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 mittaussignaalilähettimeen liitetty kuorma, 320 Ω, olisi suurempi kuin sen suurin sallittu kuorma 300 Ω. Mittaussignaalilähetin ei kestä tätä kuormaa, ja mittaussignaali vääristyisi.
Lisäämällä vahvistin mittaussignaalilähettimeen 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.

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.

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.

4. Galvaaninen erotus

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

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

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

5. Johtovalvonta

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

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

Signaalitulolla on tehtävänä ainoastaan signaalin vastaanotto. 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.

Aktiivinen tulo

Signaalitulolla on kaksi tehtävää: signaalin vastaanotto ja signaalilähettimen tehonsyöttö.
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.

Passiivinen eristys, tulosilmukkasyöttö

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

Passiivinen eristys, lähtösignaalisyöttö

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