Adattare e proteggere i segnali di processo digitali e analogici

Nella tecnica di misura, controllo e regolazione, abbreviata con tecnica MCR, la trasmissione indisturbata dei segnali riveste un ruolo importante. La trasmissione del segnale è interessata da un campo elettrico attivo in costante aumento, soprattutto nel caso di segnali del valore di misura deboli forniti dai sensori.
Questi elementi di disturbo o altri errori non corretti, così come eventuali difetti di progettazione, possono pregiudicare la regolare trasmissione dei segnali.

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Caratteristiche dei dispositivi per la misurazione della temperatura nell'industria di processo
Raffineria dalla prospettiva aerea

Di quali segnali si tratta?

I segnali analogici sono segnali di tensione e di corrente elettrica. Per rappresentare una dimensione fisica modificata, un sensore può generare una tensione elettrica o modificare la caduta di tensione nel circuito di misurazione.
A tale scopo, nelle tecnologie per impianti e di processo vengono rilevate le seguenti dimensioni:

  • Temperatura
  • Pressione
  • Livello di riempimento della portata del fluido
  • Oscillazione/vibrazione
  • Deformazione per la misurazione del carico
  • Umidità
  • Concentrazione di gas
  • Dimensioni di natura elettro-fisica, come la tensione, la corrente, il guadagno di ricezione, ecc.

Stazioni di elaborazione del segnale di misurazione

Il campo centrale della tecnica MCR è la rilevazione elettro-sensorica, l'elaborazione e la valutazione dei dati di stato nell'ambiente o in un impianto industriale.
Essenzialmente sono coinvolti questi tre settori:

  1. La ricezione del segnale nel campo, come viene denominato e controllato il campo monitorato
  2. Il condizionamento del segnale a livello di interfaccia o direttamente a livello di campo con l'ausilio di componenti elettronici per il potenziamento, l'applicazione e la protezione dai disturbi sul percorso del segnale
  3. Componenti per il potenziamento, la commutazione e la protezione dai disturbi sul percorso del segnale.
    Elaborazione analogica o digitale dei segnali a livello di controllo mediante un'unità di valutazione o di controllo.
Topologia: segnale analogico dal sensore al controllore

Segnale analogico dal sensore al controllore

Isolatori galvanici e convertitori

Isolatori galvanici e convertitori

I blocchi elettronici per l'elaborazione del segnale vengono denominati collettivamente isolatori galvanici, isolatori di segnale o convertitori. Possono avere una o più di una delle seguenti funzioni:

  • Amplificazione
  • Normalizzazione
  • Filtraggio
  • Isolamento galvanico
  • Alimentazione elettrica dei componenti collegati
  • Monitoraggio linea

1. Amplificazione del segnale

Un'amplificazione del segnale è sempre necessaria quando un segnale è troppo debole e può essere registrato solo in modo errato o ammortizzato dall'unità di valutazione connessa.
Esempio: senza l'amplificatore, il carico collegato al dispositivo di segnalazione di misura con 320 Ω sarebbe superiore al suo carico massimo ammesso di 300 Ω. Il dispositivo di segnalazione di misura non riesce a gestire questo carico e, di conseguenza, il segnale di misura verrebbe falsato.
Con l'introduzione di un amplificatore, il carico collegato al dispositivo di segnalazione di misura di 70 Ω sarebbe inferiore al carico massimo ammesso di 300 Ω. La resistenza all'ingresso dell'unità di valutazione di 300 Ω non sovraccarica l'ingresso dell'amplificatore, in quanto essa è in grado di elaborare un carico massimo di fino a 500 Ω. Il segnale di misura non viene falsato.

Amplificazione del segnale per la risoluzione degli errori

2. Conversione in un segnale standard

I segnali sensore analogici possono essere convertiti in un segnale standard in un blocco interfaccia a seconda del compito di misurazione. In questo caso, il risultato della commutazione deve essere proporzionale al valore d'ingresso misurato, per non corrompere la misurazione.

Esempio: il sensore o il trasmettitore invia un segnale standard da 4 a 20 mA. L'unità di valutazione necessita di un segnale da 0 a 10 V. Il convertitore del segnale standard tra il trasmettitore e l'unità di valutazione attua l'adattamento richiesto.

 Esempio di conversione in un segnale standard

Esempio di conversione in un segnale standard

3. Filtraggio

Nelle linee di trasmissione della misurazione possono verificarsi tensioni di disturbo, ad esempio a causa dell'induzione elettromagnetica o dell'influsso di segnali ad alta frequenza, in ambienti industriali, ad esempio da convertitori di frequenza. Le anomalie sono particolarmente gravi se interessano i segnali di tensione.
Esempio: l'isolatore galvanico con funzione filtro riconosce e sopprime le tensioni di disturbo in un ampio spettro di frequenza.
Può essere di grande aiuto anche l'utilizzo di linee attorcigliate o schermate. Le linee attorcigliate contribuiscono a ridurre la tensione di disturbo indotta e, grazie a linee schermate, i campi elettrici vengono riflessi e assorbiti. Per poter sopprimere le anomalie appena citate in modo ancora più efficace si raccomanda la commutazione di un segnale di tensione in un segnale di corrente.

Filtraggio del segnale

Esempio di filtraggio del segnale

4. Isolamento galvanico

Una connessione di segnale isolata galvanicamente viene denominata "connessione libera da potenziale", in quanto in essa non fluiscono correnti di compensazione tra differenze di potenziale. L'isolamento galvanico dei circuiti di corrente di campo e dei circuiti di comando si è affermato come standard nell'industria degli impianti e di processo.

Esempio
Problema: il trasmettitore e l'unità di valutazione sono entrambi messi a terra, tuttavia indicano potenziali di terra diversi. Una corrente di compensazione Ig scorre lungo il loop di corrente di terra corrompendo così il segnale di misura I1.

Esempio loop di corrente di terra

Esempio loop di corrente di terra

Esempio: isolamento galvanico, senza loop di corrente di terra

Esempio di isolamento galvanico, senza loop di corrente di terra

5. Monitoraggio linea

Il monitoraggio della linea è integrato come funzione aggiuntiva in molti blocchi di interfaccia. La funzione di monitoraggio dell'interruzione di linea e del cortocircuito è specificata nel dettaglio nelle raccomandazioni NAMUR NE 21 del gruppo di interessi Tecnologie di automazione dell'industria di processo.
Il grafico indica schematicamente l'inserimento di un monitoraggio di linea sull'intero percorso di trasmissione del segnale, dal sensore fino all'unità di valutazione.
In questo caso interviene la resistenza da 400 a 2 kΩ per una corrente massima con switch chiuso inferiore alla corrente di cortocircuito. La resistenza di 10 kΩ garantisce una corrente di riposo con switch aperto. Durante l'interruzione di linea la corrente è = 0.

Monitoraggio linea

Esempio di monitoraggio linea

Alimentazione elettrica e isolamento delle vie del segnale

Per i morsetti d'ingresso di un isolatore galvanico o di un'unità di valutazione si è soliti distinguere tra ingresso attivo e passivo, a seconda che il sensore o il trasmettitore collegato disponga o meno di un alimentatore o che venga o meno alimentato da linee di segnalazione di sensori.

Ingresso passivo

L'ingresso del segnale ha solo la funzione di ricevere il segnale. Nell'esempio, gli isolatori galvanici e l'unità di valutazione hanno ingressi passivi. Il sensore o il trasmettitore attivo (con quattro connessioni), alimenta l'ingresso passivo dell'isolatore galvanico. L'uscita attiva dell'isolatore galvanico alimenta l'ingresso passivo dell'unità di valutazione.

Esempio di un ingresso segnale passivo

Esempio di un ingresso segnale passivo

Ingresso attivo

L'ingresso del segnale ha due funzioni: da un lato la ricezione del segnale e dall'altro lato l'alimentazione del generatore di segnali.
Nell'esempio, l'isolatore galvanico ha un ingresso attivo. Alimenta il sensore o il trasmettitore a 2 o a 3 conduttori. L'uscita attiva dell'isolatore galvanico alimenta l'ingresso passivo dell'unità di valutazione (come nell'esempio precedente). I componenti che necessitano dell'alimentazione elettrica sono alimentabili mediante alimentatori speciali o tramite le linee di segnale.

Esempio di ingresso segnale attivo

Esempio di ingresso segnale attivo

Isolamento passivo, con alimentazione per loop di ingresso

Alimentazione degli isolatori galvanici mediante un ingresso di segnale da parte del trasmettitore (con alimentazione per loop di ingresso).
Le vie del segnale tra sensore o trasmettitore attivo (collegamento a 4 conduttori) e isolatore galvanico qui non sono isolate dall'alimentazione del trasmettitore. Il sensore/trasmettitore attivo in questo caso assume l'alimentazione dell'isolatore galvanico.
Il sensore/trasmettitore deve gestire l'intero carico dell'isolatore galvanico e dell'ingresso dell'unità di valutazione.
Adatto solo per segnali da 4 a 20 mA.

Esempio di isolamento passivo, con alimentazione per loop di ingresso

Esempio di isolamento passivo, con alimentazione per loop di ingresso

Isolamento passivo, con alimentazione per loop di uscita

L'alimentazione degli isolatori galvanici in questo caso avviene tramite l'uscita segnale e l'unità di valutazione (con alimentazione per loop di uscita).
La via del segnale tra sensore o trasmettitore (collegamento a 4 conduttori) e isolatore galvanico viene isolata dall'alimentazione del trasmettitore.
La via dei segnale tra isolatore galvanico e unità di valutazione non è isolata dall'alimentazione dell'unità di valutazione. In questo caso, l'unità di valutazione assume l'alimentazione dell'isolatore galvanico. Adatto solo per segnali da 4 a 20 mA.

Esempio di isolamento passivo, con alimentazione per loop di uscita

Esempio di isolamento passivo, con alimentazione per loop di uscita