Adattare e proteggere i segnali di processo digitali e analogici

Stazioni di elaborazione del segnale di misurazione

Il campo centrale della tecnica MCR è la rilevazione elettro-sensorica, l'elaborazione e la valutazione dei dati di stato nell'ambiente o in un impianto industriale.

Essenzialmente sono coinvolti questi tre settori:

1. la ricezione del segnale nel campo, come viene denominato e controllato il campo monitorato
2. il condizionamento del segnale a livello di interfaccia o direttamente a livello di campo con l'ausilio di componenti elettronici per il potenziamento, l'applicazione e la protezione dai disturbi sul percorso del segnale
3. l'elaborazione analogica o digitale dei segnali a livello di controllo mediante un'unità di valutazione o di controllo.

1. Amplificazione del segnale

Un'amplificazione del segnale è sempre necessaria quando un segnale è troppo debole e può essere registrato solo in modo errato o ammortizzato dall'unità di valutazione connessa.

Esempio:
senza l'amplificatore, il carico collegato al dispositivo di segnalazione di misura con 320 Ω sarebbe superiore al suo carico massimo ammesso di 300 Ω. Il dispositivo di segnalazione di misura non riesce a gestire questo carico e, di conseguenza, il segnale di misura verrebbe falsato.
Con l'introduzione di un amplificatore, il carico collegato al dispositivo di segnalazione di misura di 70 Ω sarebbe inferiore al carico massimo ammesso di 300 Ω. La resistenza all'ingresso dell'unità di valutazione di 300 Ω non sovraccarica l'ingresso dell'amplificatore, in quanto essa è in grado di elaborare un carico massimo di fino a 500 Ω. Il segnale di misura non viene falsato.

2. Conversione in un segnale standard

i segnali sensore analogici possono essere convertiti in un segnale standard in un blocco interfaccia a seconda del compito di misurazione. In questo caso, il risultato della commutazione deve essere proporzionale al valore d'ingresso misurato, per non corrompere la misurazione.

Esempio:
il sensore o il trasmettitore invia un segnale standard da 4 a 20 mA. L'unità di valutazione necessita di un segnale da 0 a 10 V. Il convertitore del segnale standard tra il trasmettitore e l'unità di valutazione attua l'adattamento richiesto.

3. Filtraggio

Nelle linee di trasmissione della misurazione possono verificarsi tensioni di disturbo, ad esempio a causa dell'induzione elettromagnetica o dell'influsso di segnali ad alta frequenza, in ambienti industriali, ad esempio da convertitori di frequenza. Le anomalie sono particolarmente gravi se interessano i segnali di tensione.

Esempio:
l'isolatore galvanico con funzione filtro riconosce e sopprime le tensioni di disturbo in un ampio spettro di frequenza.
Può essere di grande aiuto anche l'utilizzo di linee attorcigliate o schermate. Le linee attorcigliate contribuiscono a ridurre la tensione di disturbo indotta e, grazie a linee schermate, i campi elettrici vengono riflessi e assorbiti. Per poter sopprimere le anomalie appena citate in modo ancora più efficace si raccomanda la commutazione di un segnale di tensione in un segnale di corrente.

4. Isolamento galvanico

Una connessione di segnale isolata galvanicamente viene denominata "connessione libera da potenziale", in quanto in essa non fluiscono correnti di compensazione tra differenze di potenziale. L'isolamento galvanico dei circuiti di corrente di campo e dei circuiti di comando si è affermato come standard nell'industria degli impianti e di processo.

Esempio:
problema: il trasmettitore e l'unità di valutazione sono entrambi messi a terra, tuttavia indicano potenziali di terra diversi. Una corrente di compensazione Ig scorre lungo il loop di corrente di terra corrompendo così il segnale di misura I1.

Dopo l'inserimento di un isolatore di segnale, ad esempio di un trasmettitore, nei cavi di collegamento per il segnale di misura non fluisce più alcuna corrente di compensazione Ig. Questo fenomeno viene misurato con il segnale di misura I1 identico a I2.

5. Monitoraggio linea

Il monitoraggio della linea è integrato come funzione aggiuntiva in molti blocchi di interfaccia. La funzione di monitoraggio dell'interruzione di linea e del cortocircuito è specificata nel dettaglio nelle raccomandazioni NAMUR NE 21 del gruppo di interessi Tecnologie di automazione dell'industria di processo.

Esempio:
il grafico indica schematicamente l'inserimento di un monitoraggio di linea sull'intero percorso di trasmissione del segnale, dal sensore fino all'unità di valutazione.
In questo caso interviene la resistenza da 400 a 2 kΩ per una corrente massima con switch chiuso inferiore alla corrente di cortocircuito. La resistenza di 10 kΩ garantisce una corrente di riposo con switch aperto. Durante l'interruzione di linea la corrente è = 0.

Alimentazione elettrica e isolamento delle vie del segnale

Per i morsetti d'ingresso di un isolatore galvanico o di un'unità di valutazione si è soliti distinguere tra ingresso attivo e passivo, a seconda che il sensore o il trasmettitore collegato disponga o meno di un alimentatore o che venga o meno alimentato da linee di segnalazione di sensori.

Ingresso passivo

L'ingresso del segnale passivo ha solo la funzione di ricevere il segnale.

Esempio:
nell'esempio, gli isolatori galvanici e l'unità di valutazione hanno ingressi passivi. Il sensore o il trasmettitore attivo (con quattro connessioni), alimenta l'ingresso passivo dell'isolatore galvanico. L'uscita attiva dell'isolatore galvanico alimenta l'ingresso passivo dell'unità di valutazione.

Ingresso attivo

L'ingresso del segnale ha due funzioni: da un lato la ricezione del segnale e dall'altro lato l'alimentazione del generatore di segnali.

Esempio:
nell'esempio, l'isolatore galvanico ha un ingresso attivo. Alimenta il sensore o il trasmettitore a 2 o a 3 conduttori. L'uscita attiva dell'isolatore galvanico alimenta l'ingresso passivo dell'unità di valutazione (come nell'esempio precedente). I componenti che necessitano dell'alimentazione elettrica sono alimentabili mediante alimentatori speciali o tramite le linee di segnale.

Isolamento passivo, con alimentazione per loop di ingresso

Alimentazione degli isolatori galvanici mediante un ingresso di segnale da parte del trasmettitore (con alimentazione per loop di ingresso). Adatto solo per segnali da 4 a 20 mA.

Esempio:
le vie del segnale tra sensore o trasmettitore attivo (collegamento a 4 conduttori) e isolatore galvanico qui non sono isolate dall'alimentazione del trasmettitore. Il sensore/trasmettitore attivo in questo caso assume l'alimentazione dell'isolatore galvanico.
Il sensore/trasmettitore deve gestire l'intero carico dell'isolatore galvanico e dell'ingresso dell'unità di valutazione.

Isolamento passivo, con alimentazione per loop di uscita

L'alimentazione degli isolatori galvanici in questo caso avviene tramite l'uscita segnale e l'unità di valutazione (con alimentazione per loop di uscita). Adatto solo per segnali da 4 a 20 mA.

Esempio:
la via del segnale tra sensore o trasmettitore (collegamento a 4 conduttori) e isolatore galvanico viene isolata dall'alimentazione del trasmettitore.
La via dei segnale tra isolatore galvanico e unità di valutazione non è isolata dall'alimentazione dell'unità di valutazione. In questo caso, l'unità di valutazione assume l'alimentazione dell'isolatore galvanico.