Ajustarea și protejarea semnalelor de proces digitale și analoge

În tehnologia de măsurare, comandă și reglare, pe scurt tehnologie MCR, transmiterea fără interferențe a semnalelor joacă un rol central. Transmiterea semnalelor este afectată de un mediu electric din ce în ce mai activ, în special în cazul semnalelor de valori de măsurare care sunt livrate de senzori.
Ignorarea acestor variabile de perturbare, ajustările necorespunzătoare sau alte deficiențe la planificare afectează transmiterea semnalului fără defecțiuni.

Către pagina de produs afișaje de produse și dispozitive de câmp
Echipamente pentru măsurarea temperaturii în industria de prelucrare
Rafinărie din perspectivă aeriană

Despre care semnale este vorba?

Semnalele analoge sunt semnale de tensiune și curent electrice. Pentru a reprezenta o dimensiune fizică în schimbare, un senzor poate genera o tensiune electrică sau poate schimba căderea tensiunii în circuitul de măsurare.
În tehnologia de instalații și procese sunt măsurate în general următoarele valori:

  • Temperatură
  • Presiune
  • Nivel de umplere debit
  • Oscilație/vibrație
  • Deformare pentru măsurarea sarcinilor
  • Umiditate
  • Concentrația gazelor
  • Dimensiuni electrofizice precum tensiune, curent, intensitate a câmpului, etc.

Stații pentru pregătirea semnalului de măsurare

Domeniul central al tehnologiei MCR este înregistrarea electrosenzorială, pregătirea și evaluarea datelor de stare în mediu sau una dintre instalațiile industriale.
Acestea trei sunt domeniile principale:

  1. Generarea semnalului în câmp, precum domeniul monitorizat și pentru operare
  2. Condiționarea semnalului la nivelul de interfață sau direct în nivelul de câmp cu ajutorul componentelor electronice pentru amplificare, implementare și pentru protejarea împotriva interferențelor pe căile de semnal
  3. Componente pentru amplificare, implementare și protejarea împotriva interferențelor pe căile de semnal.
    Procesarea semnalelor analoge sau digitale la nivelul de control prin intermediul unei unități de evaluare sau control.
Topologie: semnal analog de la senzor până la controler

Semnal analog de la senzor până la controler

Amplificatoare de izolare și traductoare de măsură

Amplificatoare de izolare și traductoare de măsură

Blocurile electronice pentru pregătirea semnalului sunt denumite amplificatoare de izolare, separatoare de semnal sau traductoare de măsură. Acestea pot avea una sau mai multe dintre aceste funcții:

  • Amplificare
  • Standardizare
  • Filtrare
  • Separare galvanică
  • Alimentare electrică a componentelor conectate
  • Monitorizare cablului

1. amplificare semnal

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.

Amplificarea semnalului pentru remedierea erorilor

2. Convertirea într-un semnal standardizat

Semnalele de senzor analoge pot fi schimbate cu unul din semnalele standardizate într-un bloc de interfață, în funcție de sarcina de măsurare. În acest sens, rezultatul transformării 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.

 Exemplu de convertire într-un semnal standardizat

Exemplu de convertire într-un semnal standardizat

3. Filtrare

În cabluri pentru transmitere valorilor de măsurare pot exista tensiuni perturbatoare, de exemplu din cauza inducției electromagnetice sau efectului semnalelor cu frecvență ridicată, în mediile industriale, de ex. convertizor 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 implementarea unui semnal de tensiune într-un semnal de curent.

Filtrarea semnalului

Exemplu pentru filtrarea semnalului

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 circuitului de curent de câmp și circuitului de comandă a devenit un standard în industria instalațiilor și industria de prelucrare.

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.

Exemplu de circuit de curent de împământare

Exemplu de circuit de curent de împământare

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.

Exemplu: separare galvanică, fără circuit de curent de împământare

Exemplu de separare galvanică, fără circuit de curent de împământare

5. Monitorizare cablului

Monitorizarea cablurilor este integrată în multe blocuri de interfață ca funcție suplimentară. Funcția de monitorizare pentru întreruperea cablului și scurtcircuit este descrisă în detaliu în recomandările NAMUR NE 21 ale grupului de interes pentru tehnologia de automatizare din industria de prelucrare.
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 ruperii cablului, curentul este = 0.

Monitorizare cablului

Exemplu de monitorizare a cablului

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 semnalului are doar funcția de recepție a semnalului. 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.

Exemplu de intrare a semnalului pasivă

Exemplu de intrare a semnalului pasivă

Intrare activă

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

Exemplu de intrare a semnalului activ

Exemplu de intrare a semnalului activ

Izolare pasivă, alimentare din bucla de intrare

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

Exemplu pentru izolare pasivă, alimentare din bucla de intrare

Exemplu pentru izolare pasivă, alimentare din bucla de intrare

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).
Calea de semnal între senzor și transmițător (conexiune cu 4 conductori) și amplificator 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. Adecvat doar pentru semnale de 4 până la 20 mA.

Exemplu de izolare pasivă, alimentat din bucla de ieșire

Exemplu de izolare pasivă, alimentat din bucla de ieșire