Digitale en analoge processignalen aanpassen en beschermen

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 direct op veldniveau met gebruikmaking van elektronische componenten voor versterking, omzetting en bescherming tegen signaaltrajectinterferenties
3. De analoge of digitale signaalverwerking op besturingsniveau door een evaluatie- of besturingseenheid.

1. Signaalversterking

Signaalversterking is altijd nodig, wanneer een signaal te zwak is en door de aangesloten analyser 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 analyser van 300 Ω leidt ook niet tot overbelasting van de versterkeruitgang, omdat deze een belasting van maximaal 500 Ω aankan. Het meetsignaal wordt niet vervormd.

2. Conversie naar een standaardsignaal

Analoge sensorsignalen kunnen, afhankelijk van de meettaak, in een interfacemodule worden omgezet naar één van de standaardsignalen. Het resultaat van de omzetting moet daarbij 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 analyser heeft een signaal van 0 tot 10 V nodig. De standaardsignaalomvormer die tussen de zender en de analyser is geschakeld, voert de vereiste aanpassing uit.

3. Filtering

In kabels voor de overdracht van meetwaarden kunnen stoorspanningen optreden, bijv. 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, dient een spanningssignaal te worden omgezet naar een stroomsignaal.

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 analyser zijn geaard, maar hebben verschillende aardpotentialen. Er vloeit vereffeningsstroom Ig door de ontstane aardstroomlus, die meetsignaal I1 vervalst.

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.

5. Bekabelingsbewaking

De bekabelingsbewaking is als extra functie in veel interfacemodulen geïntegreerd. De bewakingsfunctie voor bekabelingsonderbreking en kortsluiting wordt nader gespecificeerd in de NAMUR-aanbevelingen NE 21 van de belangengemeenschap Automatiseringstechniek van de procesindustrie.

Voorbeeld:
De afbeelding toont schematisch hoe een bekabelingsbewaking wordt toegepast over het gehele traject van de signaaloverdracht, van de sensor tot aan de analyser.
Daarbij zorgt de weerstand van 400 tot 2 kΩ voor een maximale stroom bij gesloten schakelaar, die kleiner is dan de kortsluitstroom. De weerstand van 10 kΩ zorgt voor een ruststroom bij geopende schakelaar. Bij een kabelbreuk is de stroom = 0.

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 passieve signaalingang heeft als enige functie het signaal te ontvangen.

Voorbeeld:
In het voorbeeld hebben de scheidingsversterker en de analyser 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 analyser.

Actieve ingang

De actieve signaalingang heeft twee functies: de ene is om het signaal te ontvangen en de andere om de signaalgever te voeden.

Voorbeeld:
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 analyser (zoals in het voorgaande voorbeeld). Componenten die elektrisch moeten worden gevoed, kunnen door afzonderlijke voedingen of via de signaalleidingen van spanning worden voorzien.

Passieve isolatie, ingangscircuitgevoed

Voeding van de scheidingsversterker via een signaalingang door de zender (ingangscircuitgevoed). Alleen geschikt voor signalen van 4 mA tot 20 mA.

Voorbeeld:
De signaaltrajecten tussen de actieve sensor resp. 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 scheidingsversterker en ingang van de analyser aankunnen.

Passieve isolatie, uitgangscircuitgevoed

In dit geval wordt de scheidingsversterker door de analyser via de signaaluitgang gevoed (uitgangscircuitgevoed). Alleen geschikt voor signalen van 4 mA tot 20 mA.

Voorbeeld:
Het signaaltraject tussen sensor resp. 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.