Adapter et protéger les signaux de process numériques et analogiques

Stations du traitement du signal de mesure

Le domaine central de la technologie MCR est l'acquisition électrosensorielle, le traitement et l'évaluation des données d'état dans l'environnement ou dans une installation industrielle.
L'accent est mis sur ces trois domaines :

1. Acquisition de signaux sur le terrain, comme est appelée la zone surveillée et à contrôler
2. Le conditionnement du signal au niveau de l'interface ou directement au niveau terrain, en utilisant des composants électroniques pour l'amplification, la conversion et la protection contre les perturbations sur le trajet du signal
3. Composants pour l'amplification, la conversion et la protection contre les perturbations sur le trajet du signal.
   Le traitement des signaux analogiques ou numériques au niveau de commande par une unité d'évaluation ou de commande.

1. Amplification du signal

L'amplification du signal est toujours nécessaire lorsqu'un signal est trop faible et ne peut être enregistré par l'unité d'évaluation connectée que de manière déformée ou atténuée.
Exemple : sans l'amplificateur, la charge de 320 Ω connectée à l'émetteur de signaux de mesure serait supérieure à sa charge maximale autorisée de 300 Ω. Le transmetteur de signaux de mesure ne peut pas entraîner cette charge, le signal de mesure serait faussé.
En insérant un amplificateur, la charge connectée à l'émetteur de signaux de mesure est inférieure de 70 Ω à sa charge maximale admissible de 300 Ω. La résistance d'entrée de l'unité d'évaluation de 300 Ω ne surcharge pas non plus la sortie de l'amplificateur, car celle-ci peut supporter une charge allant jusqu'à 500 Ω. Le signal de mesure n'est pas faussé.

2. Conversion en un signal standard

Les signaux analogiques des capteurs peuvent être convertis en l'un des signaux standard dans un bloc d'interface en fonction de la tâche de mesure. Le résultat de la conversion doit être proportionnel à la valeur d'entrée mesurée afin de ne pas fausser la mesure.

Exemple : le capteur ou le transmetteur délivre un signal standard de 4 à 20 mA. L'unité d'évaluation a besoin d'un signal de 0 à 10 V. Le convertisseur de signal standard connecté entre le transmetteur et l'unité d'évaluation effectue l'adaptation requise.

3. Filtrage

Des tensions perturbatrices peuvent apparaître dans les lignes de transmission des valeurs mesurées, p. ex. en raison de l'induction électromagnétique ou de l'effet des signaux haute fréquence, dans les environnements industriels de convertisseurs de fréquence par exemple. Les perturbations sont particulièrement prononcées lorsque les signaux de tension sont affectés.
Exemple : l'amplificateur-séparateur avec fonction de filtrage détecte et supprime les tensions perturbatrices dans un large spectre de fréquences.
Il est également utile d'utiliser des câbles torsadés ou blindés. Les câbles torsadés contribuent à réduire la tension perturbatrice induite et les câbles blindés réfléchissent et absorbent de plus les champs électriques. Pour éviter davantage les perturbations susmentionnées, un signal de tension doit être converti en un signal de courant.

4. Isolation galvanique

Une connexion de signal isolée galvaniquement est appelée connexion indépendante du potentiel de terre car elle n'est traversée par aucun courant de compensation entre les différences de potentiel. L'isolation galvanique des circuits de terrain et des circuits de commande est devenue une norme dans l'industrie des installations et des process.

Exemple
Mais le problème est que le transmetteur et l'unité d'évaluation sont mis à la terre, mais ont des potentiels de terre différents. Un courant de compensation Ig circule dans la boucle de courant de terre qui en résulte et fausse ainsi le signal de mesure I1.

Après l'insertion d'un isolateur de signal galvanique, p. ex. un transformateur, dans les câbles de raccordement du signal de mesure, aucun courant de compensation Ig ne circule plus. I2, qui est identique au signal de mesure I1, est mesuré.

5. Surveillance de la ligne

La surveillance de la ligne est intégrée comme fonction supplémentaire dans de nombreux blocs d'interface. La fonction de surveillance de l'interruption de la ligne et du court-circuit est spécifiée plus en détail dans les recommandations NAMUR NE 21 de l'Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie.
Le diagramme montre schématiquement comment la surveillance de la ligne est utilisée sur l'ensemble du trajet de transmission du signal entre le capteur et l'unité d'évaluation.
La résistance de 400 à 2 kΩ assure un courant maximal avec le switch fermé qui est plus petit que le courant de court-circuit. La résistance de 10 kΩ fournit un courant de repos lorsque le switch est ouvert. En cas de rupture de ligne, le courant = 0.

Alimentation électrique et séparation des trajets des signaux

Aux bornes d'entrée d'un amplificateur-séparateur ou d'une unité d'évaluation, on distingue l'entrée passive et l'entrée active, selon que le capteur ou le transmetteur raccordé dispose de sa propre alimentation électrique ou est alimenté par les lignes de signaux du capteur.

Entrée passive

L'entrée du signal a pour seule fonction de recevoir le signal. Dans l'exemple, l'amplificateur-séparateur et l'unité d'évaluation ont des entrées passives. Le capteur ou le transmetteur actif (avec quatre connexions) alimente l'entrée passive de l'amplificateur-séparateur. La sortie active de l'amplificateur-séparateur alimente l'entrée passive de l'unité d'évaluation.

Entrée active

L'entrée du signal a deux fonctions : l'une consiste à recevoir le signal et l'autre à alimenter le générateur de signaux.
Dans l'exemple, l'amplificateur-séparateur a une entrée active. Il alimente le capteur ou le transmetteur à 2 ou 3 conducteurs. La sortie active de l'amplificateur-séparateur alimente l'entrée passive de l'unité d'évaluation (comme dans l'exemple précédent). Les composants qui doivent être alimentés électriquement peuvent l'être par des alimentations séparées ou par les câbles de signalisation.

Isolation passive, alimentation par boucle d'entrée

Isolation de l'alimentation de l'amplificateur via un signal d'entrée par l'émetteur (alimentation par la boucle d'entrée).
Les trajets des signaux entre le capteur ou le transmetteur actif (connexion à 4 conducteurs) et l'amplificateur-séparateur ne sont pas séparés de l'alimentation du transmetteur. Dans ce cas, le capteur/transmetteur actif prend en charge l'alimentation de l'amplificateur-séparateur.
Le capteur/transmetteur doit piloter la totalité de la charge depuis l'amplificateur-séparateur et l'entrée de l'unité d'évaluation.
Convient uniquement aux signaux de 4 à 20 mA.

Isolation passive, alimentation par la boucle de sortie

Dans ce cas, l'amplificateur-séparateur est alimenté par la sortie de signalisation de l'unité d'évaluation (alimentation par la boucle de sortie).
Le trajet du signal entre le capteur ou le transmetteur (connexion à 4 conducteurs) et l'amplificateur-séparateur est séparé de l'alimentation du transmetteur.
Le trajet du signal entre l'amplificateur-séparateur et l'unité d'évaluation n'est pas séparé de l'alimentation de l'unité d'évaluation. Dans ce cas, l'unité d'évaluation prend en charge l'alimentation de l'amplificateur-séparateur. Convient uniquement aux signaux de 4 à 20 mA.