Adaptar e proteger sinais de processo digitais e analógicos

Estações de processamento de sinais de medição

A área central da tecnologia de instrumentação é a aquisição, o processamento e a avaliação de dados de estado eletrossensoriais no ambiente ou em uma instalação industrial.

Se trata sobretudo das seguintes três áreas:

1. A obtenção de sinais no campo, como é chamada a área monitorada e a ser controlada
2. O condicionamento do sinal no nível de interface ou diretamente no nível de campo, utilizando componentes eletrônicos para a amplificação, conversão e proteção contra interferências na via de sinal
3. O processamento de sinais analógicos ou digitais no nível de controle por uma unidade de avaliação ou controle.

1. Amplificação de sinal

Uma amplificação de sinal é necessária sempre que um sinal é fraco demais e somente pode ser registrado de forma adulterada ou atenuada pela unidade de avaliação conectada.

Exemplo:
Sem o amplificador, a carga de 320 Ω conectada ao emissor de sinal de medição seria maior que sua carga máxima permitida de 300 Ω. O emissor de sinal de medição não consegue acionar essa carga e o sinal de medição seria adulterado.
Com a incorporação de um amplificador, a carga de 70 Ω conectada ao emissor de sinal de medição é inferior a sua carga máxima permitida de 300 Ω. A resistência de entrada de 300 Ω da unidade de avaliação também não sobrecarrega a saída do amplificador, uma vez que ele consegue acionar uma carga de até 500 Ω. O sinal de medição não é adulterado.

2. Conversão em um sinal normalizado

Dependendo da tarefa de medição, os sinais de sensores analógicos podem ser convertidos em um dos sinais padrão em um bloco de interface. Para isso, o resultado da conversão tem que ser proporcional ao valor de entrada medido, a fim de não distorcer a medição.

Exemplo:
O sensor ou transmissor fornece um sinal normalizado de 4 a 20 mA. A unidade de avaliação necessita de um sinal de 0 a 10 V. O conversor de sinal normalizado conectado entre o transmissor e a unidade de avaliação efetua a adaptação solicitada.

3. Filtragem

Nos cabos para a transmissão de valores de medição podem ocorrer tensões parasitas, p. ex., devido à indução eletromagnética ou à influência de sinais de alta frequência, em ambientes industriais de, p. ex., conversores de frequência. As interferências são particularmente significativas quando são afetados sinais de tensão.

Exemplo:
O condicionador de sinal com função de filtro detecta e suprime tensões parasitas em uma ampla gama de frequências.
Além disso, também é aconselhável utilizar cabos trançados ou blindados. Os cabos trançados permitem reduzir a tensão parasita induzida e os cabos blindados refletem e absorvem adicionalmente os campos elétricos. Para evitar ainda mais as interferências mencionadas, um sinal de tensão deve ser convertido em um sinal de corrente.

4. Isolamento galvânico

Uma conexão de sinal isolada galvanicamente é designada como conexão sem potencial de terra, uma vez que, através dela, não passam correntes de compensação entre diferenças de potencial. O isolamento galvânico dos circuitos de campo e de controle se estabeleceu como padrão na indústria de processos e de instalações.

Exemplo:
Problema: o transmissor e a unidade de avaliação estão aterrados, mas têm diferentes potenciais de terra. Uma corrente de compensação lg passa pelo circuito de corrente de terra criado e adultera assim o sinal de medição I1.

Após a incorporação de um isolador de sinal galvânico, p. ex., um transformador, nos cabos de conexão para o sinal de medição, deixa de passar uma corrente de compensação lg. Isto é medido com o sinal de medição I1 idêntico a I2.

5. Monitoramento de cabos

O monitoramento de cabos está integrado como função adicional em muitos blocos de interface. A função de monitoramento quanto à interrupção de cabo e curto-circuito é especificada de modo mais detalhado nas recomendações NE 21 da NAMUR, a associação internacional de usuários de tecnologia de automação na indústria de processos.

Exemplo:
O gráfico mostra de forma esquemática um monitoramento de cabos que é utilizado em toda a via de transmissão de sinais, desde o sensor até a unidade de avaliação.
A resistência de 400 a 2 kΩ garante uma corrente máxima com o interruptor fechado, que é menor que a corrente de curto-circuito. A resistência de 10 kΩ garante uma corrente de circuito fechado com o interruptor aberto. No caso de uma ruptura do cabo, a corrente é = 0.

Alimentação elétrica e isolamento dos cursos de sinal

Nos bornes de entrada de um condicionador de sinal ou de uma unidade de avaliação se distingue entre entrada passiva e ativa, dependendo de o sensor ou transmissor conectado ter uma fonte de alimentação própria ou ser alimentado através de cabos de sinal de sensor.

Entrada passiva

A entrada de sinal passiva tem somente como função a recepção do sinal.

Exemplo:
No exemplo, o condicionador de sinal e a unidade de avaliação têm entradas passivas. O sensor ou transmissor ativo (com quatro conexões) alimenta a entrada passiva do condicionador de sinal. A saída ativa do condicionador de sinal alimenta a entrada passiva da unidade de avaliação.

Entrada ativa

A entrada de sinal ativa tem duas funções: uma é a recepção do sinal e a outra é ser a fonte de alimentação do emissor de sinais.

Exemplo:
No exemplo, o condicionador de sinal tem uma entrada ativa. Ele alimenta o sensor ou o transmissor de 2 ou 3 condutores. A saída ativa do condicionador de sinal alimenta a entrada passiva da unidade de avaliação (como no exemplo anterior). Os componentes que têm que ser alimentados eletricamente podem ser alimentados por fontes de alimentação separadas ou através dos cabos de sinal.

Isolamento passivo, alimentado por loop de entrada

Alimentação do condicionador de sinal pelo transmissor através de uma entrada de sinal (alimentado por loop de entrada). Adequado somente para sinais de 4 a 20 mA.

Exemplo:
Aqui, as vias de sinal entre o sensor ou transmissor ativo (conexão de 4 condutores) e o condicionador de sinal não são isoladas da alimentação do transmissor. Nesse caso, o sensor/transmissor ativo assume a alimentação do condicionador de sinal.
O sensor/transmissor tem que acionar toda a carga do condicionador de sinal e da entrada da unidade de avaliação.

Isolamento passivo, alimentado por loop de saída

Nesse caso, o condicionador de sinal é alimentado pela unidade de avaliação, através da saída de sinal (alimentado por loop de saída). Adequado somente para sinais de 4 a 20 mA.

Exemplo:
A via de sinal entre o sensor ou transmissor (conexão de 4 condutores) e o condicionador de sinal está isolada da alimentação do transmissor.
A via de sinal entre o condicionador de sinal e a unidade de avaliação não está separada da alimentação da unidade de avaliação. Nesse caso, a unidade de avaliação assume a alimentação do condicionador de sinal.