Dijital ve analog proses sinyallerinin koşullandırılması ve korunması
Parazitsiz sinyal iletimi, ölçüm ve kontrol teknolojisinde (MCR teknolojisi) merkezi bir rol oynar. Sinyal iletimi, giderek aktifleşen elektrik ortamından etkilenir. Bu, özellikle sensörler tarafından yayınlanan zayıf ölçülen değer sinyalleri için geçerlidir. Yukarıdaki bozulma değişkenlerine yeterince dikkat edilmemesi, yanlış ayarlamalar veya başka herhangi bir planlama eksikliği, parazitsiz sinyal iletimini etkileyebilir.
Sinyal türleri ve sinyal koşullandırma
Hangi sinyallerden bahsediyoruz?
Analog sinyaller elektriksel gerilim ve akım sinyalleridir. Değişen bir fiziksel değişkenin haritasını çıkarmak için bir sensör ya bir elektrik gerilimi üretir ya da ölçüm devresindeki gerilim düşümünü değiştirir.
Tipik olarak sistem ve proses teknolojisinde aşağıdaki değişkenler ölçülür:
- Sıcaklık
- Basınç
- Seviye debisi
- Titreşim
- Yük ölçümü ile ilgili deformasyon
- Nem
- Gaz konsantrasyonu
- Gerilim, akım, alan şiddeti, vb. gibi elektrofiziksel değişkenler.
Sinyal koşullandırma ölçümü için istasyonlar
Çevreye veya endüstriyel bir sisteme atıfta bulunan durum verilerinin elektrosensöriyel olarak elde edilmesi, koşullandırılması ve değerlendirilmesi MCR teknolojisi alanındaki temel alanlar olarak kabul edilir.
Bu üç alan ana odak noktasıdır:
- Sahada sinyal üretimi, izlenen alan olarak kontrol edilen olarak adlandırılır.
- Güçlendirme, dönüştürme ve sinyal yolundaki parazitlerden koruma için elektronik bileşenler aracılığıyla arayüz seviyesinde veya doğrudan alan seviyesinde sinyal koşullandırma
- Bir değerlendirme veya kontrol ünitesi tarafından kontrol seviyesinde analog veya dijital sinyal işleme.
Sensörden kontrolöre analog sinyal
Sinyal koşullayıcılar ve ölçüm transdüserleri
Sinyal koşullayıcılar ve ölçüm transdüserlerinin fonksiyonları
Sinyal koşullandırma için elektronik bloklar topluca sinyal koşullandırıcılar, sinyal izolatörleri veya ölçüm transdüserleri olarak adlandırılır.
Cihazlar bu işlevlerin bir veya daha fazlasına sahip olabilir:
1. Sinyal güçlendirme
Bir sinyal çok zayıfsa ve bu nedenle bağlı değerlendirme ünitesi tarafından yalnızca bozulmuş veya zayıflatılmış biçimde alınabiliyorsa, sinyal güçlendirme her zaman gereklidir.
Örnek:
Amplifikatör olmadan, ölçüm sensörüne bağlanan yük 320 Ω olacaktır ve bu nedenle izin verilen maksimum yük olan 300 Ω'dan daha yüksek olacaktır. Ölçüm sensörü bu yükü süremez, bu da bozuk bir ölçüm sinyaline neden olur.
Bir güçlendirici eklendiğinde ölçüm sensörüne bağlanan yük 70 Ω'dur ve bu nedenle izin verilen maksimum yük olan 300 Ω'dan daha küçüktür. Ayrıca, 300 Ω olan değerlendirme ünitesinin giriş direnci, 500 Ω'a kadarlık bir yükü sürmesi amaçlandığından, amplifikatör çıkışını aşırı yüklemez. Ölçüm sinyali bozulmayacaktır.
Beispiel Signalverstärkung zur Fehlerbeseitigung
2. Standart sinyale dönüşüm
Ölçü işlevine bağlı olarak, analog sensör sinyalleri bir arayüz bloğundaki standart sinyallerden birine dönüştürülebilir. Ölçüm sonuçlarının bozulmasını önlemek için dönüştürme sonucu, ölçülen giriş değeriyle orantılı olmalıdır.
Örnek:
Sensör veya verici, 4 ila 20 mA'lik standart bir sinyal sağlar. Değerlendirme ünitesi 0 ila 10 V sinyal gerektirir. Verici ile değerlendirme ünitesi arasına bağlanan standart sinyal dönüştürücü gerekli ayarlamayı yapar.
Standart sinyale dönüşüm örneği
3. Filtreleme
Ölçülen değer iletimi kablolarında, örneğin elektromanyetik indüksiyon veya endüstriyel ortamlardaki frekans dönüştürücüler tarafından üretilen yüksek frekanslı sinyaller gibi etkilerden dolayı parazit gerilimleri oluşabilir. Gerilim sinyalleri etkilenirse parazit oldukça güçlüdür.
Örnek:
Filtre işlevli sinyal koşullandırıcı, geniş bir frekans spektrumunda parazit gerilimlerini algılar ve bastırır.
Ayrıca ilave bükümlü veya ekranlı kabloların kullanılması da yararlıdır. Bükümlü kablolar indüklenen parazit gerilimini azaltmaya yardımcı olurken, ekranlı kablolar ayrıca elektrik alanlarını yansıtır ve emer. Yukarıda belirtilen nedenlerden kaynaklanan paraziti daha da iyi önlemek için gerilim sinyali akım sinyaline dönüştürülmelidir.
Sinyal filtreleme örneği
4. Elektriksel izolasyon
Elektriksel olarak yalıtılmış bir sinyal bağlantısı, potansiyel farklar arasında akan hiçbir dengeleme akımı olmadığından, yüzer bağlantı olarak adlandırılır. Saha devrelerinin ve kontrol devrelerinin elektriksel izolasyonu, tesis ve proses endüstrisinde yerleşik bir standart haline gelmiştir.
Örnek:
Sorun: Verici ve değerlendirme ünitesi topraklanmış, ancak toprak potansiyelleri farklı. Ig dengeleme akımı, ortaya çıkan toprak akımı döngüsünden akar ve I1 ölçüm sinyalini bozar.
Toprak akımı döngüsü örneği
Ölçüm sinyali için bağlantı kablolarına verici gibi bir galvanik sinyal izolatörü entegre edildikten sonra, lg dengeleme akımı artık akmaz. Ölçülen sinyal, ölçülen sinyal I1 ile aynı olan I2'dir.
Elektriksel izolasyon, toprak akımı döngüsünün olmadığı örnek
5. Kablo izleme
Kablo izleme ek işlev olarak birçok arayüz bloğuna entegre edilmiştir. Hat kesintileri ve kısa devre için izleme işlevi, Proses Endüstrilerinde Otomasyon Teknolojisi Kullanıcı Birliği tarafından sağlanan NE 21 NAMUR tavsiyelerinde daha ayrıntılı olarak belirtilmiştir.
Örnek:
Şekil, sensörden değerlendirme ünitesine kadar tüm sinyal iletim yolunda kablo izlemenin nasıl kullanılabileceğini şematik olarak göstermektedir.
400 ila 2 kΩ direnç, kısa devre akımından daha küçük olan kapalı anahtarla maksimum akım sağlar. 10 kΩ direnç, anahtar açıkken kapalı devre akım sağlar. Kablo kopması durumunda akım = 0.
Kablo izleme örneği
Sinyal yollarının enerji temini ve izolasyonu
Sinyal kanallarının elektriksel beslemesi ve izolasyonu
Bağlı sensörün veya vericinin kendi güç kaynağına sahip olup olmamasına veya sensör sinyal kabloları ile beslenmesine bağlı olarak, bir sinyal koşullayıcı veya değerlendirme ünitesinin giriş klemenslerinde pasif ve aktif giriş arasında bir fark vardır.
Pasif giriş
Pasif sinyal girişinin tek işlevi sinyali almaktır.
Örnek:
Örnekte, sinyal koşullayıcı ve değerlendirme ünitesi pasif girişlere sahiptir. Aktif sensör veya verici (dört bağlantılı), sinyal koşullayıcının pasif girişini besler. Sinyal koşullayıcının aktif çıkışı değerlendirme ünitesinin pasif girişini besler.
Pasif sinyal girişi örneği
Aktif giriş
Aktif sinyal girişinin iki işlevi vardır: Biri sinyali almak, diğeri sinyal jeneratörüne güç sağlamak.
Örnek:
Örnekte sinyal koşullayıcının aktif bir girişi vardır. 2 veya 3 iletkenli sensörü veya vericiyi besler. Sinyal koşullayıcının aktif çıkışı, değerlendirme ünitesinin pasif girişini besler (önceki örnekte olduğu gibi). Elektrik güç kaynağına ihtiyaç duyan bileşenler, ayrı güç kaynakları veya sinyal hatları aracılığıyla beslenebilir.
Aktif sinyal girişi örneği
Pasif izolasyon, giriş döngü beslemeli
Verici aracılığıyla bir sinyal girişi yoluyla sinyal koşullayıcı beslemesi (giriş döngü beslemeli). Yalnızca 4 ila 20 mA sinyalleri için uygundur.
Örnek:
Aktif sensör/verici (4 iletkenli bağlantı) ile sinyal koşullandırıcı arasındaki sinyal yolları burada verici beslemesinden izole edilmemiştir. Bu durumda, aktif sensör/verici, sinyal koşullayıcının beslemesini sağlar.
Sensör/vericinin, sinyal koşullayıcının ve değerlendirme ünitesi girişinin toplam yükünü sürmesi gerekir.
Pasif izolasyon örneği, giriş döngü beslemeli
Pasif izolasyon, çıkış döngü beslemeli
Bu durumda sinyal koşullandırıcı, değerlendirme ünitesi aracılığıyla sinyal çıkışı üzerinden beslenir (çıkış döngüsüyle güçlendirilmiş). Yalnızca 4 ila 20 mA sinyalleri için uygundur.
Örnek:
Sensör/verici (4 iletkenli bağlantı) ile sinyal koşullandırıcı arasındaki sinyal yolu, verici beslemesinden izole edilmiştir.
Sinyal koşullandırıcı ile değerlendirme ünitesi arasındaki sinyal yolu, değerlendirme ünitesinin beslemesinden izole edilmemiştir. Bu durumda değerlendirme ünitesi sinyal koşullayıcının beslemesini sağlar.
Pasif izolasyon örneği, çıkış döngü beslemeli
