Condiționarea și protejarea semnalelor de proces digitale și analogice

Stații pentru pregătirea semnalului de măsurare

Domeniul central al tehnologiei MCR este înregistrarea electrosenzorială, prelucrarea și evaluarea datelor de stare din mediu sau într-o instalație industrială.

Acestea trei sunt domeniile principale:

1. Obținerea semnalului în teren, numit domeniu monitorizat și controlat.
2. Condiționarea semnalului la nivelul interfeței sau direct în teren cu ajutorul componentelor electronice pentru amplificare, conversie și protecție împotriva interferențelor pe calea semnalului.
3. Procesarea analogică sau digitală a semnalului la nivelul de control printr-o unitate de evaluare sau control.

1. Amplificarea semnalului

O amplificare a semnalului este necesară întotdeauna atunci când semnalul este prea slab și poate fi înregistrat doar în mod denaturat sau amortizat de către unitatea de evaluare conectată.

Exemplu:
Fără amplificator, sarcina conectată la emițătorul de semnal de măsurare este cu 320 Ω mai mare decât sarcina maximă admisă de 300 Ω. Emițătorul de semnal nu poate acționa această sarcină, semnalul de măsurare este denaturat.
Prin integrarea unui amplificator, sarcina conectată la emițătorul de semnal de măsurare este cu 70 Ω mai mică decât sarcina maximă admisă de 300 Ω. Rezistența la intrare a unității de evaluare de 300 Ω nu depășește ieșirea amplificatorului, pentru că este necesară acționarea unei sarcini de până la 500 Ω. Semnalul de măsurare nu este denaturat.

2. Convertirea într-un semnal standardizat

Semnalele de senzor analogice pot fi schimbate cu unul din semnalele standardizate într-un bloc de interfață, în funcție de sarcina de măsurare. În acest sens, rezultatul conversiei trebuie să fie proporțional cu valoarea de intrare măsurată, pentru a nu afecta măsurarea.

Exemplu:
Senzorul sau transmițătorul oferă un semnal standardizat de 4 până la 20 mA. Unitatea de evaluare necesită un semnal de la 0 până la 10 V. Convertorul de semnal standardizat aflat între transmițător și unitatea de evaluare efectuează ajustarea necesară.

3. Filtrare

În cabluri pentru transmiterea valorilor de măsurare pot exista tensiuni perturbatoare, de exemplu, din cauza inducției electromagnetice sau efectului semnalelor cu frecvență ridicată, în mediile industriale, de exemplu, convertizoarele de frecvență. Interferențele sunt clare atunci când sunt implicate semnalele de tensiune.

Exemplu:
Amplificatorul de izolare cu funcție de filtrare detectează și suprimă tensiunile perturbatoare într-un spectru larg de frecvențe.
De asemenea, este utilă folosirea cablurilor torsadate sau ecranate. Cablurile torsadate ajută la reducerea tensiunii perturbatoare induse și prin cablurile ecranate sunt reflectate și absorbite în mod suplimentar câmpurile electrice. Pentru a evita în continuare interferențele menționate, este necesară conversia unui semnal de tensiune într-un semnal de curent.

4. Separare galvanică

O legătură de semnal separată galvanic este denumită conexiune fără potențial de masă, pentru că nu există debit de curent de compensare între diferențele de potențial. Separarea galvanică a circuitelor de curent de câmp și a circuitelor de comandă a devenit un standard în industria instalațiilor și industria de proces.

Exemplu:
Problemă: transmițătorul și unitatea de evaluare sunt împământate, însă au potențiale de împământare diferite. Un curent de compensare Ig există între circuitul de curent de împământare și denaturează semnalul de măsurare I1.

După integrarea unui separator de semnal galvanic, de ex. un traductor, în cablurile de conectare pentru semnal de măsurare nu mai circulă curent de compensare Ig. Este măsurat I2 identic cu semnalul de măsurare I1.

5. Monitorizarea cablurilor

Monitorizarea cablurilor este integrată ca funcție suplimentară în multe module de interfață. Funcția de monitorizare a întreruperilor și scurtcircuitelor este descrisă în detaliu în recomandările NAMUR NE 21 ale Asociației pentru Tehnologia Automatizării în Industria de Proces.

Exemplu:
Graficul este o reprezentare schematică a modului în care este implementată monitorizarea cablurilor pe întregul traseu de transmisie a semnalului, de la senzor până la unitatea de evaluare.
Prin urmare, rezistența de 400 până la 2 kΩ asigură un curent maxim cu comutatorul închis, care este mai mic decât curentul de scurtcircuit. Rezistența de 10 kΩ asigură un curent în circuit închis cu comutatorul deschis. În cazul unei întreruperi a cablului, curentul este = 0.

Alimentare electrică și separare a căilor de semnal

La nivelul bornei de intrare a unui amplificator de izolare sau unei unități de evaluare se poate face deosebirea între intrări pasive și active, indiferent dacă senzorul sau transmițătorul conectat dispune de o sursă de alimentare proprie sau este alimentat prin cablurilor de semnal ale senzorilor.

Intrare pasivă

Intrarea pasivă a semnalului are doar funcția de recepție a semnalului.

Exemplu:
În exemplul dat, amplificatorul de izolare și unitatea de evaluare au intrări pasive. Senzorul, respectiv transmițătorul activ (cu patru conexiuni) alimentează intrarea pasivă a amplificatorului de izolare. Ieșirea activă a amplificatorului de izolare alimentează intrarea pasivă a unității de evaluare.

Intrare activă

Intrarea activă a semnalului are două funcții: pe de-o parte recepția semnalului și pe de altă parte alimentarea cu tensiune a dispozitivului de semnalizare.

Exemplu:
De exemplu, amplificatorul de izolare are o intrare activă. Acesta alimentează un senzor sau transmițător cu 2 sau 3 conductori. Ieșirea activă a amplificatorului de izolare alimentează intrarea pasivă a unității de evaluare (la fel ca în exemplul anterior). Componentele care necesită alimentarea cu electricitate pot fi alimentare prin intermediul unei surse de alimentare separate sau prin linii de semnal.

Izolare pasivă, alimentare din bucla de intrare

Alimentarea amplificatorului de izolare prin intermediul unei intrări de semnal prin transmițător (alimentat din bucla de intrare). Adecvat doar pentru semnale de 4 până la 20 mA.

Exemplu:
Căile de semnal între senzorul sau transmițătorul activ (conexiune cu 4 conductori) și amplificatorul de izolare nu sunt separate de alimentarea transmițătorului. Senzorul/transmițătorul activ preia în acest caz alimentarea amplificatorului de izolare.
Senzorul/transmițătorul trebuie să acționeze întreaga sarcină a amplificatorului de izolare și intrarea unității de evaluare.

Izolare pasivă, alimentat din bucla de ieșire

Alimentarea amplificatorului de izolare este realizată în acest caz prin ieșirea de semnal prin unitatea de evaluare (alimentat din bucla de ieșire). Adecvat doar pentru semnale de 4 până la 20 mA.

Exemplu:
Calea de semnal între senzor sau transmițător (conexiune cu 4 conductori) și amplificatorul de izolare este separată de alimentarea transmițătorului.
Calea de semnal între amplificatorul de izolare și unitatea de evaluare nu este separată de alimentarea unității de evaluare. Unitatea de evaluare preia în acest caz alimentarea amplificatorului de izolare.