Tilpasse og beskytte digitale og analoge prosessignaler

Innen måle-, styre- og reguleringsteknikk er feilfri overføring av signalene av helt avgjørende betydning. Signaloverføringen påvirkes av omgivelser som blir stadig mer elektrisk aktive, spesielt gjelder dette for de svake måleverdisignalene som leveres av sensorer.
Hvis disse støyvariablene ikke hensyntas i tilstrekkelig grad, ved feilaktige tilpasninger eller andre mangler ved planleggingen, blir signaloverføringen påvirket.

Til produktsiden Prosessvisninger og feltutstyr
Utstyr for temperaturmåling innen prosessindustrien
Raffineri sett fra luften

Hvilke signaler dreier det seg om?

Analogsignaler er elektriske spennings- og strømsignaler. For å gjengi en fysisk størrelse som endrer seg kan en sensor enten generere en elektrisk spenning, eller endre spenningsfallet i målekretsen.
Innen anleggs- og prosessteknikk måles typisk følgende størrelser:

  • Temperatur
  • Trykk
  • Nivå gjennomstrømningsmengde
  • Svingning/vibrasjon
  • Forvrengning til lastmåling
  • Fuktighet
  • Gasskonsentrasjon
  • Elektrofysiske størrelser som spenning, strøm, feltstyrke osv.

Stasjoner for klargjøring av målesignaler

Det sentrale området innen måle-, styre- og reguleringsteknikk er den elektrosensoriske registreringen, klargjøringen og evalueringen av tilstandsdata i omgivelsene eller i et industrielt anlegg.
Fortrinnsvis dreier det seg om følgende tre områder:

  1. Signalinnsamlingen i felten, som er betegnelsen på området som overvåkes og som skal styres
  2. Kondisjoneringen av signalet på grensesnittnivået eller direkte på feltnivået ved hjelp av elektroniske komponenter for forsterkning, omforming og som beskyttelse mot signalveiforstyrrelser
  3. Komponenter for forsterkning, omforming og som beskyttelse mot signalveiforstyrrelser.
    Den analoge eller digitale signalbehandlingen på styrenivået gjennom en evaluerings- eller styreenhet.
Topologi: analog signal fra sensor til kontroller

Analog signal fra sensor til kontroller

Skilleforsterkere og måleomformere

Skilleforsterkere og måleomformere

De elektroniske modulene for klargjøring av signaler betegnes som skilleforsterkere, signalskillere eller måleomformere. De kan ha én eller flere av disse funksjonene:

  • Forsterkning
  • Standardisering
  • Filtrering
  • Galvanisk skille
  • Elektrisk forsyning av de tilkoblede komponentene
  • Ledningsovervåking

1. Signalforsterkning

En signalforsterkning er alltid nødvendig dersom et signal er for svakt og kun registreres av den tilkoblede evalueringsenheten i forvrengt eller dempet form.
Eksempel: Uten forsterkeren ville tilkoblet last på målesignalgiveren på 320 Ω være høyere enn tillatt topplast på 300 Ω. Målesignalgiveren kan ikke drive denne lasten, målesignalet ville ha blitt forvrengt.
Ved å implementere en forsterker er lasten på 70 Ω som er tilkoblet målesignalgiveren, lavere enn tillatt topplast på 300 Ω. Evalueringsenhetens inngangsmotstand på 300 Ω overbelaster heller ikke forsterkerutgangen, da den kan drive en last opptil 500 Ω. Målesignalet blir ikke forvrengt.

Signalforsterkning for utbedring av feil

2. Omforming til et standardsignal

Avhengig av type måleoppgave kan analoge sensorsignaler i en grensesnittmodul omformes til et av standardsignalene. I den forbindelse må resultatet av omformingen være proporsjonalt med den målte inngangsverdien, dette for at målingen ikke skal bli forvrengt.

Eksempel: Sensoren eller transmitteren leverer et 4-til-20-mA-standardsignal. Evalueringsenheten trenger et 0-til-10-V-signal. Omformeren av standardsignaler, som er koblet mellom transmitter og evalueringsenhet, foretar nødvendig tilpasning.

 Eksempel omforming til et standardsignal

Eksempel omforming til et standardsignal

3. Filtrering

I ledninger for overføring av måleverdier kan det oppstå støyspenning, for eksempel som følge av elektromagnetisk induksjon eller påvirkning fra høyfrekvente signaler, i industriomgivelser fra f. eks. frekvensomformere. Feilene blir spesielt tydelige når spenningssignaler er berørt.
Eksempel: Skilleforsterkeren med filterfunksjon gjenkjenner og undertrykker støyspenning over et stort frekvensspekter.
Det er også til hjelp å bruke tvunnede eller skjermede ledninger. Tvunnede ledninger bidrar til å redusere den induserte støyspenningen, og med skjemede ledninger blir elektriske felter i tillegg reflektert og absorbert. For å forebygge nevnte feil ytterligere bør et spenningssignal omformes til et strømsignal.

Signalfiltrering

Eksempel på signalfiltrering

4. Galvanisk skille

En galvanisk adskilt signalforbindelse betegnes som potensialfri forbindelse, ettersom det ikke flyter utjevningsstrøm mellom potensialforskjeller via denne. Det galvaniske skillet mellom feltstrømskretsene og styrestrømskretsene har etablert seg som standard innen anleggs- og prosessindustrien.

Eksempel
Problem: Transmitter og evalueringsenhet er jordet, men har forskjellige jordpotensialer. En utjevningsstrøm Ig flyter gjennom jordstrømsløyfen som har oppstått, og forvrenger slik målesignalet I1.

Eksempel jordstrømsløyfe

Eksempel jordstrømsløyfe

Når en galvanisk signalskiller, f. eks. en sender, er implementert i tilkoblingsledningene for målesignalet, flyter det ikke lenger en utjevningsstrøm Ig. Målingen foretas med målesignalet I1 identisk I2.

Eksempel: Galvanisk skille, ingen jordstrømsløyfe

Eksempel galvanisk skille, ingen jordstrømsløyfe

5. Ledningsovervåking

Ledningsovervåkingen er integrert som ytterligere funksjon i mange grensesnittmoduler. Overvåkingsfunksjonen med hensyn til ledningsbrudd og kortslutning er nærmere spesifisert i NAMUR-anbefalingene NE 21 i Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie (interesseforbund for automatiseringsteknikk innen prosessindustrien).
Grafikken viser skjematisk hvordan en ledningsovervåking brukes langs hele signaloverføringsveien fra sensoren til evalueringsenheten.
I den sammenheng sørger motstanden på 400 til 2 kΩ for en maksimalstrøm når bryteren er lukket, og som er mindre enn kortslutningsstrømmen. Motstanden på 10 kΩ sørger for en hvilestrøm når bryteren er åpnet. Ved ledningsbrudd vil strømmen være lik 0.

Ledningsovervåking

Eksempel ledningsovervåking

Elektrisk forsyning og skille av signalveier

På inngangsklemmene i en skilleforsterker eller en evalueringsenhet skiller man mellom passiv og aktiv inngang, avhengig av om tilkoblet sensor eller transmitter har en egen strømforsyning eller om den forsynes via sensorsignalledningene.

Passiv inngang

Signalinngangen har kun som funksjon å motta signalet. I eksempelet har skilleforsterker og evalueringsenhet passive innganger. Den aktive sensoren eller transmitteren (med fire tilkoblinger) forsyner skilleforsterkerens passive inngang. Skilleforsterkerens aktive utgang forsyner evalueringsenhetens passive inngang.

Eksempel på passiv signalinngang

Eksempel på passiv signalinngang

Aktiv inngang

Signalinngangen har to funksjoner: For det første mottak av signalet, og for det andre strømforsyningen av signalgiveren.
I eksempelet har skilleforsterkeren en aktiv inngang. Den forsyner 2- eller 3-ledersensoren eller transmitteren. Skilleforsterkerens aktive utgang forsyner evalueringsenhetens passive inngang (som i forrige eksempel). Komponenter som må forsynes elektrisk, kan forsynes via spesielle strømforsyninger eller via signalledningene.

Eksempel på aktiv signalinngang

Eksempel på aktiv signalinngang

Passiv isolering, inngangssløyfematet

Skilleforsterkerforsyning via en signalinngang gjennom transmitteren (inngangssløyfematet).
Signalveiene mellom aktiv sensor eller transmitter (4-ledertilkobling) og skilleforsterker er her ikke adskilt fra transmitterforsyningen. Den aktive sensoren/transmitteren overtar i dette tilfellet forsyningen av skilleforsterkeren.
Sensoren/transmitteren må drive hele lasten med skilleforsterker og evalueringsenhetens inngang.
Kun egnet for 4-til-20-mA-signaler.

Eksempel på passiv isolering, inngangssløyfematet

Eksempel på passiv isolering, inngangssløyfematet

Passiv isolering, utgangssløyfematet

Forsyningen av skilleforsterkeren foregår i dette tilfellet via signalutgangen, gjennom evalueringsenheten (utgangssløyfematet).
Signalveien mellom sensor eller transmitter (4-ledertilkobling) og skilleforsterker er adskilt fra transmitterforsyningen.
Signalveien mellom skilleforsterker og evalueringsenhet er ikke adskilt fra evalueringsenhetsforsyningen. Evalueringsenheten overtar i dette tilfellet forsyningen av skilleforsterkeren. Kun egnet for 4-til-20-mA-signaler.

Eksempel passiv isolering, utgangssløyfematet

Eksempel passiv isolering, utgangssløyfematet