Adapter et protéger les signaux de process numériques et analogiques
Dans la technologie de mesure, de commande et de régulation, en bref la technologie MCR, une transmission de signaux sans interférences joue un rôle central. La transmission de signaux est affectée par un environnement de plus en plus électriquement actif. Cela est particulièrement vrai pour les faibles signaux de mesure fournis par les capteurs. Une prise en compte insuffisante de ces grandeurs perturbatrices, des erreurs d'ajustement et d'autres insuffisances de planification compromettent la qualité de la transmission de signaux.
Types de signaux et traitement des signaux
Quels sont les signaux ?
Les signaux analogiques sont des signaux électriques de tension et de courant. Pour représenter une quantité physique changeante, un capteur peut soit générer une tension électrique, soit modifier la chute de tension dans le circuit de mesure.
Dans la technologie des installations et des process, les variables suivantes sont généralement mesurées :
- Température
- Pression
- Niveau de remplissage débit
- Oscillation/vibration
- Déformation par rapport à la mesure de la charge
- Humidité
- Concentration de gaz
- Des valeurs électrophysiques telles que la tension, le courant, l'intensité de champ, etc.
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 :
- L'acquisition de signaux sur le terrain, comme est appelée la zone surveillée et à contrôler
- 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
- Le traitement des signaux analogiques ou numériques au niveau de commande par une unité d'évaluation ou de commande.
Signal analogique du capteur à l'automate
Amplificateurs-séparateurs et convertisseurs de mesure
Fonctions des amplificateurs-séparateurs et des convertisseurs de mesure
Les blocs électroniques pour le traitement des signaux sont collectivement appelés amplificateurs-séparateurs, isolateurs de signaux ou convertisseurs de mesure.
Les appareils peuvent avoir une ou plusieurs de ces fonctions :
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 au générateur de signaux de mesure serait supérieure à sa charge maximale autorisée de 300 Ω. Le générateur de signaux de mesure ne peut pas entraîner cette charge, le signal de mesure serait faussé.
En insérant un amplificateur, la charge connectée au générateur de signaux de mesure passe à 70 Ω, elle est alors inférieure 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.
Beispiel Signalverstärkung zur Fehlerbeseitigung
2. Conversion en un signal standardisé
Les signaux analogiques des capteurs peuvent être convertis en l'un des signaux standardisés 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 standardisé connecté entre le transmetteur et l'unité d'évaluation effectue l'adaptation requise.
Exemple de conversion en un signal standard
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 p. ex. de variateurs de vitesse. 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.
Exemple de filtrage du signal
4. Isolation galvanique
Une connexion de signal isolée galvaniquement est appelée connexion libre de potentiel car elle n'est traversée par aucun courant de compensation entre les différences de potentiel. L'isolation galvanique des circuits sur le terrain et des circuits de commande est devenue une norme dans l'industrie manufacturière et les industries de process.
Exemple :
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.
Exemple boucle de courant de terre
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.
Exemple Isolation galvanique, pas de boucle de courant de terre
5. Surveillance de ligne
La surveillance de ligne est intégrée comme fonction supplémentaire dans de nombreux blocs d'interface. La fonction de surveillance de rupture de ligne et de court-circuit est spécifiée plus en détail dans les recommandations NAMUR NE 21 de l'association des utilisateurs de la technique d'automatisation dans l'industrie des process.
Exemple :
Le diagramme montre schématiquement comment la surveillance de 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 commutateur fermé qui est plus petit que le courant de court-circuit. La résistance de 10 kΩ fournit un courant de repos lorsque le commutateur est ouvert. En cas de rupture de ligne, le courant = 0.
Exemple de surveillance de la ligne
Alimentation et séparation des voies des signaux
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 passive du signal a pour seule fonction de recevoir le signal.
Exemple :
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.
Exemple d'une entrée de signal passive
Entrée active
L'entrée active du signal a deux fonctions : l'une consiste à recevoir le signal et l'autre à alimenter le générateur de signaux.
Exemple :
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 lignes de signaux.
Exemple d'entrée de signal active
Isolation passive, alimentation par la boucle d'entrée
Alimentation de l'amplificateur-séparateur via un signal d'entrée par le transmetteur (alimentation par la boucle d'entrée). Convient uniquement aux signaux de 4 à 20 mA.
Exemple :
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.
Exemple d'isolation passive, alimentation par boucle d'entrée
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). Convient uniquement aux signaux de 4 à 20 mA.
Exemple :
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.
Exemple d'isolation passive, alimentation par la boucle de sortie
