デジタルおよびアナログのプロセス信号の調整・保護

測定信号処理用ステーション

環境または産業システムを参照する状態データを電気的に取得し、調整、評価することは、計測制御テクノロジの分野では中心的分野と考えられています。

次の3つのエリアに主に注目しています。

1. フィールド（制御対象の監視エリア）での信号生成。
2. 増幅、変換、信号経路での干渉からの保護のための電子機器による、インターフェースレベルまたは直接フィールドレベルでの信号処理
3. 評価または制御ユニットによる、制御レベルでのアナログまたはデジタル信号処理。

1. 信号増幅

信号増幅は、信号が弱すぎることで、接続される評価ユニットがひずんだり減衰したりした形でしか取得できない場合には必ず必要です。

例：
増幅器がないと、測定センサに接続された負荷は320 Ωで、そのため最大許容負荷300 Ωより大きくなります。測定センサはこの負荷を駆動できず、ひずんだ測定信号になります。
増幅器を追加することで、測定センサに接続された負荷は70 Ωになり、最大許容負荷300 Ωより低くなります。さらに、評価ユニットの入力抵抗は300 Ωで、増幅器の出力で過負荷にはなりません。500 Ωまでの負荷を駆動するようになっているためです。測定信号はひずみません。

2. 標準信号への変換

測定タスクに応じて、アナログセンサ信号はインターフェースブロック内で標準信号のいずれかに変換することができます。この変換結果は、測定結果のひずみを防ぐため、測定入力値と比例している必要があります。

例：
センサまたはトランスミッタが4～20 mAの標準信号を供給します。評価ユニットには0～10 Vの信号が必要です。トランスミッタと評価ユニットの間に接続された標準信号変換器が、必要な調整を行います。

3. フィルタ機能

測定値伝送ケーブルでは、産業環境の周波数コンバータが生成するような、例えば、電磁誘導または高周波信号などの影響により、干渉電圧が発生することがあります。干渉は、電圧信号が影響される場合に特に強くなります。

例：
フィルタ機能を備えた信号変換器は、幅広い周波数スペクトラムで干渉電圧を検出して抑制します。
追加のツイストまたはシールドケーブルを使用することも有効です。ツイストケーブルは、誘導された干渉電圧を削減するのに役立ち、一方シールドケーブルは更に電場を反射および吸収します。上記の原因からの干渉をさらに回避するため、電圧信号は電流信号に変換すべきです。

4. 電気的絶縁

電気的に絶縁された信号接続は、電位差間に補正電流が流れないため、フローティング接続と呼ばれます。フィールド回路と制御回路の電気的絶縁は、プラントおよびプロセス産業では確立された規格になっています。

例：
問題：トランスミッタと評価ユニットは接地されていますが、接地電位が異なります。補正電流Igが、結果の接地電流ループに流れ、その結果　測定信号I1をひずませます。

トランスミッタなどの電気信号アイソレータを測定信号用の接続ケーブルに組込んだ後、lg補正電流は流れません。測定信号はI2で、測定信号I1とまったく同じです。

5. ライン監視

ライン監視は、追加機能として多くのインターフェースブロックに統合されています。ライン中断および短絡の監視機能は、User Association of Automation Technology in Process Industriesが提供するNE 21 NAMUR勧告で詳細に定義されています。

例：
図は、センサから評価ユニットまでの信号伝送経路全体に対して、ライン監視をどのように使用できるかを図式化して示しています。
400～2 kΩの抵抗により、短絡電流より小さい閉スイッチの最大電流が確保されます。10 kΩの抵抗は、スイッチがオフの時に閉回路電流を提供します。断線時には、電流=0です。

給電と信号経路の絶縁

接続されたセンサまたはトランスミッタに独自の電源があるか、センサ信号ケーブルから給電されるかによって、信号変換器または評価ユニットの入力端子のパッシブ入力とアクティブ入力が区別されます。

パッシブ入力

パッシブ信号入力の唯一の機能は、信号を受信することです。

例：
例では、信号変換器と評価ユニットにはパッシブ入力があります。アクティブセンサまたはトランスミッタ（4線式接続）は、信号変換器のパッシブ入力給電します。信号変換器のアクティブ入力は、評価ユニットのパッシブ入力に給電します。

アクティブ入力

アクティブ信号入力には2つの機能：1つは信号の受信、もう1つは信号発生器への給電です。

例：
例では、信号変換器にはアクティブ入力があります。2線式または3線式センサまたはトランスミッタに給電します。信号変換器のアクティブ入力は、評価ユニットのパッシブ入力に給電します（前の例と同様）。電力源を必要とするコンポーネントは、独立した電源または信号ラインから給電することができます。

パッシブ絶縁、2線式

信号変換器電源とトランスミッタからの信号入力（2線式） 4～20 mA信号のみに適しています。

例：
ここでは、アクティブセンサ／トランスミッタ（4線式接続）と信号変換器との間の信号経路は、トランスミッタ電源から電気的に絶縁されていません。この場合、アクティブセンサ/トランスミッタが信号変換器への給電を担当します。
センサ/トランスミッタは信号変換器と評価ユニット入力の全負荷を駆動する必要があります。

パッシブ絶縁、出力ループパワード

この場合、信号変換器は、評価ユニットを介して信号出力経由で給電されます（出力ループパワード）。4～20 mA信号のみに適しています。

例：
ここでは、センサ／トランスミッタ（4線式接続）と信号変換器との間の信号経路は、トランスミッタ電源から電気的に絶縁されています。
信号変換器と評価ユニットの間の信号経路は、評価ユニット電源から電気的に絶縁されていません。この場合、評価ユニットが信号変換器への給電を担当します。