Digitális és analóg folyamatjelek illesztése és védelme

A mérés-, vezérlés- és szabályozástechnikában központi szerepe van a jelek zavarmentes átvitelének. A jelátvitelre hatással van az elektromosan egyre aktívabb környezet, ez különösen a szenzorok által szolgáltatott gyenge mérőjeleket érinti.
Az ilyen zavaró mennyiségek nem kielégítő figyelembe vétele, a hibás illesztés vagy más tervezési hiányosságok hatással vannak a hibamentes jelátvitelre.

Ugrás a folyamatkijelzők és terepi készülékek termékoldalára
Készülékek a feldolgozóipari hőmérsékletméréshez
Olajfinomító madártávlatból

Milyen jelekről van szó?

Az analóg jelek elektromos feszültség- és áramjelek. A változó fizikai mennyiségek leképezéséhez egy szenzor vagy elektromos feszültséget hoz létre, vagy módosítja a mérőkör feszültségesését.
A berendezés- és folyamattechnikában jellemzően a következő mennyiségeket mérik:

  • Hőmérséklet
  • Nyomás
  • Töltöttségi szint, átfolyási mennyiség
  • Lengés/rezgés
  • Deformálódás a terhelésméréshez
  • Nedvesség
  • Gázkoncentráció
  • Elektrofizikai mennyiségek, mint például feszültség, áram, térerősség stb.

A mérőjel előkészítésének állomásai

Az MSR technika központi feladata a környezet vagy egy ipari létesítmény állapotadatainak elektromos érzékelése, előkészítése és kiértékelése.
Túlnyomórészt a következő három terület tartozik ide:

  1. jelkinyerés a terepen, ahogy a felügyelt és vezérlendő területet nevezik,
  2. a jel kondicionálása az interfész szintjén vagy közvetlenül a terepi szinten, erősítésre, átalakításra, illetve a jelút zavarai elleni védelem céljából alkalmazott elektronikus összetevők segítségével,
  3. összetevők erősítés, átalakítás és a jelút zavarok elleni védelme céljából.
    Az analóg, illetve digitális jelfeldolgozás a vezérlés szintjén egy kiértékelő, illetve vezérlőegységgel.
Topológia: analóg jel a szenzortól a vezérlőig

Analóg jel a szenzortól a vezérlőig

Leválasztó erősítők és mérőváltók

Leválasztó erősítők és mérőváltók

A jelelőkészítés elektronikus részegységeit összefoglaló néven leválasztó erősítőnek, jelleválasztónak vagy mérőváltónak nevezzük. Ezek a következő funkciók közül egyet vagy többet láthatnak el:

  • erősítés,
  • normálás,
  • szűrés,
  • galvanikus leválasztás,
  • a csatlakoztatott részegységek elektromos tápellátása,
  • vezetékfelügyelet.

1. Jelerősítés

Jelerősítésre mindig akkor van szükség, ha a jel túl gyenge, és a csatlakoztatott kiértékelő egységhez csak meghamisítva vagy csillapítva jut el.
Példa: az erősítő nélkül a mérőjeladóra csatlakoztatott 320 Ω-os terhelés nagyobb lenne, mint a megengedett legnagyobb, 300 Ω-os terhelés. A mérőjeladó ezt a terhelést nem képes meghajtani, és a mérőjel hamissá válik.
Erősítő beiktatása után a mérőjeladóra csatlakoztatott 70 Ω-os terhelés kisebb, mint a megengedett legnagyobb, 300 Ω-os terhelése. A kiértékelő egység 300 Ω-os bemeneti ellenállása szintén nem terheli túl az erősítő kimenetét, mert az maximálisan 500 Ω meghajtására képes. A mérőjel nem válik hamissá.

Jelerősítés a hiba kiküszöbölése érdekében

2. Szabványos jellé alakítás

A szenzorok analóg jeleit egy interfész-részegység a mérési feladattól függően a szabványos jelek valamelyikére alakíthatja át. Ennek során az átalakítás eredményének a mérési torzítás elkerülése érdekében arányosnak kell lennie a mért bemeneti értékkel.

Példa: a szenzor vagy adó 4 ... 20 mA-es szabványos jelet szolgáltat. A kiértékelő egységnek 0 ... 10 V-os jelre van szüksége. Az adó és a kiértékelő egység közé illesztett szabványjel-átalakító elvégzi a szükséges illesztést.

 Példa: szabványos jellé alakítás

Példa: szabványos jellé alakítás

3. Szűrés

A mért érték átvitelére használt vezetékekben ipari környezetben, pl. frekvenciaváltók hatására zavarfeszültségek keletkezhetnek, többek között elektromágneses indukció vagy nagyfrekvenciás jelek hatására. A zavarások különösen akkor nagyok, ha feszültségjeleket érintenek.
Példa: a szűrő funkcióval ellátott leválasztó erősítő széles frekvenciatartományban felismeri és elnyomja a zavarfeszültségeket.
Kiegészítő intézkedésként sokat segít a csavart vagy árnyékolt vezetékek használata is. A csavart vezetékek csökkentik az indukált feszültséget, és az árnyékolt vezetékek ezen felül visszaverik és elnyelik az elektromos mezőket. A fenti zavarások még hatékonyabb csökkentése érdekében a feszültségjelet tanácsos áramjellé átalakítani.

Jelszűrés

Példa a jelszűrésre

4. Galvanikus leválasztás

A galvanikusan leválasztott jelösszeköttetést földpotenciál-mentes összeköttetésnek nevezzük, mert ezen nem folynak potenciálkülönbség miatti kiegyenlítő áramok. A terepi és a vezérlő áramkörök galvanikus leválasztása már szabványként honosodott meg a berendezés- és feldolgozóiparban.

Példa
Probléma: az adó és a kiértékelő egység földelt, és a földpotenciáljuk eltérő. Az így keletkező földelési hurokban Ig kiegyenlítő áram folyik, amely meghamisítja az I1 mérőjelet.

Példa a földelési hurokra

Példa a földelési hurokra

Galvanikus jelleválasztót, pl. egy átviteli egységet a mérőjel csatlakozóvezetékeibe illesztve már nem folyik az Ig kiegyenlítő áram. Ezt az I2-vel azonos I1 mérőjellel mérik.

Példa: galvanikus leválasztás, nincs földhurok

Példa: galvanikus leválasztás, nincs földhurok

5. vezetékfelügyelet.

A vezetékfelügyeletet számos interfész-részegység kiegészítő funkcióként már tartalmazza. A vezetékszakadás és zárlat felügyeleti funkcióját a Feldolgozóipari Automatizálástechnika Érdekközösségének NE 21 NAMUR ajánlásai írják le közelebbről.
Az ábra sematikusan mutatja be a teljes jelátviteli út vezetékfelügyeletének alkalmazását a szenzortól a kiértékelő egységig.
Itt a 400 Ω és 2 kΩ közötti ellenállás gondoskodik a maximális áramról zárt kapcsoló esetén, amely kisebb, mint a zárlati áram. A 10 kΩ-os ellenállás gondoskodik a nyugalmi áramról nyitott kapcsoló esetén. Vezetékszakadás esetén az áram = 0.

Vezetékfelügyelet

Példa a vezetékfelügyeletre

Elektromos tápellátás és a jelutak leválasztása

A leválasztó erősítő vagy kiértékelő egység bemeneti kapcsain passzív és aktív bemenet között teszünk különbséget, attól függően, hogy a csatlakoztatott szenzornak vagy adónak van-e tápellátása, vagy a táplálás a szenzor jelvezetékein keresztül törtéik.

Passzív bemenet

A jelbemenetnek egetlen feladata van: a jel fogadása. A példában a leválasztó erősítőnek és a kiértékelő egységnek passzív bemenete van. Az aktív szenzor, illetve adó (négy csatlakozással) táplálja a leválasztó erősítő passzív bemenetét. A leválasztó erősítő aktív kimenete táplálja a kiértékelő egység passzív bemenetét.

Példa passzív jelbemenetre

Példa passzív jelbemenetre

Aktív bemenet

A jelbemenetnek két funkciója van: a jelek fogadása, illetve a jeladó tápellátása.
A példában a leválasztó erősítőnek egy aktív bemenete van. Ez táplálja a 2 vagy 3 vezetékes szenzort, illetve adót. A leválasztó erősítő aktív kimenete táplálja a kiértékelő egység passzív bemenetét (mint az előző példában). Az elektromos táplálást igénylő részegységeket külön tápegységekről, vagy a jelvezetékeken keresztül lehet táplálni.

Példa: aktív jelbemenet

Példa: aktív jelbemenet

Passzív elválasztás, bemeneti hurokkal táplált

Leválasztó erősítő táplásása az adó által, egy jelbemeneten keresztül (bemeneti hurokkal táplált).
Az aktív szenzor, illetve adó (4 vezetékes csatlakozás) és a leválasztó erősítő közötti jelutak itt nincsenek leválasztva az adó tápellátásáról. Ebben az esetben az aktív szenzor/adó veszi át a leválasztó erősítő tápellátását.
Az érzékelőnek/adónak kell meghajtania a leválasztó erősítő és a kiértékelő egység bemenetének teljes terhelését.
Csak 4 ... 20 mA-es jelekhez alkalmas..

Példa a passzív elválasztásra, bemeneti hurokkal táplált

Példa a passzív elválasztásra, bemeneti hurokkal táplált

Passzív elválasztás, kimeneti oldalon huroktáplált

A leválasztó erősítőt ebben az esetben a kiértékelő egység jelkimenete táplálja (kimeneti oldalon huroktáplált).
A szenzor, illetve adó (4 vezetékes csatlakozás) és a leválasztó erősítő közötti jelút le van választva az adó táplálásáról.
A leválasztó erősítő és a kiértékelő egység közötti jelút nincs leválasztva a kiértékelő egység táplálásáról. Ebben az esetban a leválasztó erősítő táplálását a kiértékelő egység veszi át. Csak 4 ... 20 mA-es jelekhez alkalmas..

Példa: passzív elválasztás, kimeneti oldalon huroktáplált

Példa: passzív elválasztás, kimeneti oldalon huroktáplált