Adaptar e proteger sinais de processo analógicos e digitais

Estações do processamento de sinal de medição

A área central da tecnologia MCR é a aquisição, o processamento e a avaliação eletrossensoriais de dados de estado no meio ambiente ou numa instalação industrial.

Trata-se sobretudo destas três áreas:

1. A obtenção de sinais no campo, como é designada a área monitorizada e a controlar
2. O condicionamento do sinal ao nível da interface ou diretamente ao nível de campo com a ajuda de componentes eletrónicos para a amplificação, a transposição e a proteção contra as interferências de sinal
3. O processamento de sinal analógico ou digital ao nível de controlo através de uma unidade de avaliação ou de controlo.

1. Amplificação de sinal

Uma amplificação de sinal é necessária sempre que um sinal é demasiado fraco e só pode ser registado de forma distorcida ou atenuada pela unidade de avaliação conectada.

Exemplo:
Sem um amplificador, a carga de 320 Ω conectada ao emissor de sinal de medição seria superior à respetiva carga máxima permitida de 300 Ω. O emissor de sinal de medição não consegue acionar esta carga, o sinal de medição seria distorcido.
Com a incorporação de um amplificador, a carga de 70 Ω conectada ao emissor de sinal de medição é inferior à respetiva carga máxima permitida de 300 Ω. A resistência de entrada de 300 Ω da unidade de avaliação também não sobrecarrega a saída do amplificador, já que este consegue acionar uma carga de até 500 Ω. O sinal de medição não é distorcido.

2. Conversão para um sinal padrão

Num bloco de interface, os sinais de sensores analógicos podem, em função da tarefa de medição, ser convertidos num dos sinais padrão. Para o efeito, o resultado da conversão tem de ser proporcional ao valor de entrada medido, de forma a não distorcer a medição.

Exemplo:
O sensor ou transmissor emite um sinal padrão de 4 a 20 mV. A unidade de avaliação requer um sinal de 0 a 10 V. O conversor de sinal padrão ligado entre o transmissor e a unidade de avaliação assume a adaptação solicitada.

3. Filtragem

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

Exemplo:
O condicionador de sinal com função de filtro identifica e suprime tensões parasitas num amplo espetro de frequências.
Adicionalmente, 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 prevenir ainda mais as interferências referidas, um sinal de tensão deverá ser convertido num sinal de corrente.

4. Isolamento galvânico

Uma ligação de sinal isolada galvanicamente é designada de "ligação sem potencial de terra", uma vez que, por ela, não passam quaisquer fluxos de corrente de compensação entre diferenças de potencial. O isolamento galvânico dos circuitos de campo e dos circuitos de comando estabeleceu-se como método padrão na indústria de processos e de instalações.

Exemplo:
Problema: o transmissor e a unidade de avaliação estão ligados à terra, mas têm diferentes potenciais de terra. Uma corrente de compensação lg flui pelo circuito de corrente terra gerado e distorce, assim, o sinal de medição I1.

Após a incorporação de um isolador de sinal galvânico, p. ex., de um transformador, nos cabos de ligação para o sinal de medição, a corrente de compensação lg deixa de fluir. Tal é medido com o sinal de medição I1 ou I2.

5. Monitorização de cabos

A monitorização de cabos está integrada em muitos blocos de interface como função adicional. A função de monitorização da interrupção de cabos e de curto-circuito está especificada mais detalhadamente nas recomendações NE 21 da NAMUR, a associação internacional de utilizadores da tecnologia de automação na indústria de processos.

Exemplo:
O gráfico mostra de forma esquemática uma monitorização de cabos durante toda a cadeia de transmissão do sinal, desde o sensor até à unidade de avaliação.
A resistência de 400 a 2 kΩ assegura uma corrente máxima com o interruptor fechado, que é inferior à corrente de curto-circuito. A resistência de 10 kΩ gera uma corrente de circuito fechado com o interruptor aberto. Em caso de uma interrupção do cabo, a corrente é = 0.

Alimentação elétrica e isolamento das vias de sinal

Nas réguas de bornes de entrada de um condicionador de sinal ou de uma unidade de avaliação, distingue-se entre a saída passiva e ativa, dependendo do facto do sensor ou transmissor dispor de uma fonte de alimentação própria ou ser alimentado por meio de cabos de sinal de sensor.

Entrada passiva

A entrada de sinal passiva tem única e exclusivamente a função de receber o sinal.

Exemplo:
No exemplo, o condicionador de sinal e a unidade de avaliação têm entradas passivas. O sensor ou transmissor ativo (com quatro ligações) 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: por um lado, a receção do sinal e, por outro lado, a fonte de alimentação do emissor de sinal.

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 (tal como no exemplo anterior). Os componentes que têm de 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). Indicado apenas para sinais de 4 a 20 mA.

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

Isolamento passivo, alimentado por loop de saída

Neste caso, a alimentação do condicionador de sinal é efetuada pela unidade de avaliação através da saída de sinal (alimentado por loop de saída). Indicado apenas para sinais de 4 a 20 mA.

Exemplo:
A via de sinal entre o sensor ou o transmissor ativo (ligação de 4 condutores) e o condicionador de sinal é isolada da alimentação do transmissor.
A via de sinal entre o condicionador de sinal e a unidade de avaliação não está isolada da alimentação da unidade de avaliação. A unidade de avaliação assume então a alimentação do condicionador de sinal.