Digitale en analoge processignalen aanpassen en beschermen

In de meet- en regeltechniek, ofwel M&R-techniek, speelt de storingsvrije overdracht van signalen een centrale rol. De signaaloverdracht wordt beïnvloed door een omgeving die elektrisch steeds actiever wordt; dit geldt vooral voor de zwakke meetwaardesignalen die door sensoren worden geleverd.
Onvoldoende aandacht voor deze storingen, verkeerde aanpassingen of andere tekortkomingen bij de planning ondermijnen een foutloze signaaloverdracht.

Naar de productpagina Proceswaardedisplays en veldapparaten
Apparatuur voor temperatuurmeting in de procesindustrie
Raffinaderij vanuit luchtperspectief

Wat zijn de signalen?

Analoge signalen zijn elektrische spannings- en stroomsignalen. Om een veranderende fysische grootheid weer te geven, kan een sensor een elektrische spanning opwekken of de spanningsval in het meetcircuit veranderen.
In de installatie- en procestechniek worden daarbij gewoonlijk de volgende variabelen gemeten:

  • Temperatuur
  • Druk
  • Vulniveau doorstroomhoeveelheid
  • Trilling/vibratie
  • Vervorming voor belastingsmeting
  • Vocht
  • Gasconcentratie
  • Elektrofysische grootheden zoals spanning, stroom, veldsterkte, enz.

Stations van de meetsignaalbewerking

Het centrale gebied van de M&R-techniek is de elektrosensorische detectie, bewerking en beoordeling van statusgegevens in het milieu of van een industriële installatie.
Het gaat met name om deze drie gebieden:

  1. De signaalverwerving in het veld, zoals het bewaakte en te besturen gebied wordt genoemd
  2. De conditionering van het signaal op interfaceniveau of rechtstreeks op veldniveau met gebruikmaking van elektronische componenten voor versterking, omzetting en bescherming tegen signaaltrajectinterferenties
  3. Componenten voor versterking, omzetting en bescherming tegen signaaltrajectinterferenties.
    De analoge of digitale signaalverwerking op besturingsniveau door een evaluatie- of besturingseenheid.
Topologie: analoog signaal van de sensor naar de besturing

Analoog signaal van de sensor naar de besturing

Scheidingsversterkers en meetwaardeomvormers

Scheidingsversterkers en meetwaardeomvormers

De elektronische modulen voor signaalbewerking worden gezamenlijk aangeduid als scheidingsversterkers, signaalscheiders of meetwaardeomvormers. Zij kunnen een of meer van deze functies hebben:

  • Versterking
  • Normalisatie
  • Filtering
  • Potentiaalscheiding
  • Elektrische voeding van de aangesloten componenten
  • Bekabelingsbewaking

1. Signaalversterking

Signaalversterking is altijd nodig wanneer een signaal te zwak is en door de aangesloten analyse-eenheid alleen vervormd of verzwakt kan worden geregistreerd.
Voorbeeld: Zonder de versterker zou de op de meetsignaalgever aangesloten belasting van 320 Ω hoger zijn dan de maximaal toelaatbare belasting van 300 Ω. De meetsignaalgever kan deze belasting niet aan, het meetsignaal zou vervalst worden.
Door het plaatsen van een versterker bedraagt de op de meetsignaalgever aangesloten belasting 70 Ω, hetgeen minder is dan de toelaatbare maximumbelasting van 300 Ω. De ingangsweerstand van de evaluatie-eenheid van 300 Ω leidt ook niet tot overbelasting van de versterkeruitgang, omdat deze een belasting van maximaal 500 Ω aankan. Het meetsignaal is niet vervormd.

Signaalversterking voor het verhelpen van storingen

2. Conversie naar een standaardsignaal

Analoge sensorsignalen kunnen, afhankelijk van de meettaak, in een interfacemodule worden omgezet naar een van de standaardsignalen. Het resultaat van de omzetting moet evenredig zijn aan de gemeten ingangswaarde, zodat de meting niet vervalst wordt.

Voorbeeld: De sensor of zender levert een standaardsignaal van 4 tot 20 mA. De analyse-eenheid heeft een signaal van 0 tot 10 V nodig. De standaardsignaalomvormer die tussen de zender en de analyse-eenheid is geschakeld, voert de vereiste aanpassing uit.

 Voorbeeld conversie naar een standaardsignaal

Voorbeeld conversie naar een standaardsignaal

3. Filtering

In kabels voor de overdracht van meetwaarden kunnen storingsspanningen optreden, bijvoorbeeld ten gevolge van elektromagnetische inductie of door de invloed van hoogfrequente signalen, in industriële omgevingen van bijv. frequentieomvormers.  De storingen zijn bijzonder sterk wanneer ze invloed hebben op spanningssignalen.
Voorbeeld: De scheidingsversterker met filterfunctie detecteert en onderdrukt stoorspanningen in een breed frequentiespectrum.
Het is bovendien nuttig om getwiste of afgeschermde kabels te gebruiken. Getwiste kabels helpen om de geïnduceerde stoorspanning te verminderen en afgeschermde kabels reflecteren en absorberen bovendien elektrische velden. Om voornoemde storingen nog verder te voorkomen, moet een spanningssignaal worden omgezet naar een stroomsignaal.

Signaalfiltering

Voorbeeld signaalfiltering

4. Potentiaalscheiding

Een potentiaalgescheiden signaalverbinding wordt een potentiaalvrije verbinding genoemd, omdat er via deze verbinding geen vereffeningsstromen tussen potentiaalverschillen vloeien. De potentiaalscheiding van de veldstroomcircuits en stuurstroomcircuits is een gevestigde norm geworden in de installatie- en procesindustrie.

Voorbeeld
Probleem: Zender en analyse-eenheid zijn geaard, maar hebben verschillende aardpotentialen. Er vloeit vereffeningsstroom Ig door de ontstane aardstroomlus, die het meetsignaal I1 vervalst.

Voorbeeld aardstroomlus

Voorbeeld aardstroomlus

Na het invoegen van een galvanische signaalscheider, bijv. een transformator, in de aansluitkabels voor het meetsignaal, vloeit er geen vereffeningsstroom Ig meer. I2, dat identiek is aan het meetsignaal I1, wordt gemeten.

Voorbeeld: potentiaalscheiding, geen aardstroomlus

Voorbeeld potentiaalscheiding, geen aardstroomlus

5. Bekabelingsbewaking

De bekabelingsbewaking is als extra functie in veel interfacemodules geïntegreerd. De bewakingsfunctie voor bekabelingsonderbreking en kortsluiting wordt nader gespecificeerd in de NAMUR-aanbevelingen NE 21 van de Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie.
De afbeelding toont schematisch hoe een bekabelingsbewaking wordt toegepast over het gehele traject van de signaaloverdracht van de sensor tot aan de analyse-eenheid.
Daarbij zorgt de weerstand van 400 tot 2 kΩ zorgt voor een maximale stroom bij gesloten switch, die kleiner is dan de kortsluitstroom. De weerstand van 10 kΩ zorgt voor een ruststroom bij geopende switch. Bij een kabelbreuk is de stroom = 0.

Bekabelingsbewaking

Voorbeeld bekabelingsbewaking

Elektrische voeding en scheiding van de signaaltrajecten

Bij de ingangsklemmen van een scheidingsversterker of een analyse-eenheid wordt onderscheid gemaakt tussen een passieve en een actieve ingang, afhankelijk van het feit of de aangesloten sensor of zender een eigen voeding heeft of via de sensorsignaalleidingen wordt gevoed.

Passieve ingang

De signaalingang heeft als enige functie het signaal te ontvangen. In het voorbeeld hebben de scheidingsversterker en de evaluatie-eenheid passieve ingangen. De actieve sensor of zender (met vier aansluitingen) voedt de passieve ingang van de scheidingsversterker. De actieve uitgang van de scheidingsversterker voedt de passieve ingang van de evaluatie-eenheid.

Voorbeeld van een passieve signaalingang

Voorbeeld van een passieve signaalingang

Actieve ingang

De signaalingang heeft twee functies: de ene is om het signaal te ontvangen en de andere om de signaalgever te voeden.
In het voorbeeld heeft de scheidingsversterker een actieve ingang. Hij voedt de 2- of 3-aderige sensor of zender. De actieve uitgang van de scheidingsversterker voedt de passieve ingang van de analyse-eenheid (zoals in het voorgaande voorbeeld). Componenten die elektrisch moeten worden gevoed, kunnen door afzonderlijke voedingen of via de signaalleidingen van spanning worden voorzien.

Voorbeeld van een actieve signaalingang

Voorbeeld van een actieve signaalingang

Passieve isolatie, ingangscircuitgevoed

Voeding van de scheidingsversterker via een signaalingang door de zender (ingangscircuitgevoed).
De signaaltrajecten tussen de actieve sensor of de zender (4-draads aansluiting) en de scheidingsversterkers zijn hier niet gescheiden van de voeding van de zender. In dit geval neemt de actieve sensor/zender de voeding van de scheidingsversterker over.
De sensor/zender moet de volledige belasting van scheidingsversterkers en ingang van de analyse-eenheid aankunnen.
Alleen geschikt voor signalen van 4 mA tot 20 mA.

Voorbeeld van passieve isolatie, ingangscircuitgevoed

Voorbeeld van passieve isolatie, ingangscircuitgevoed

Passieve isolatie, uitgangscircuitgevoed

In dit geval wordt de scheidingsversterker gevoed via de signaaluitgang door de analyse-eenheid (uitgangscircuitgevoed).
Het signaaltraject tussen sensor of zender (4-draads aansluiting) en scheidingsversterker is gescheiden van de voeding van de zender.
Het signaaltraject tussen scheidingsversterker en analyser is niet gescheiden van de voeding van de analyser. In dat geval neemt de analyser de voeding van de scheidingsversterker over. Alleen geschikt voor signalen van 4 mA tot 20 mA.

Voorbeeld passieve isolatie, uitgangscircuitgevoed

Voorbeeld passieve isolatie, uitgangscircuitgevoed