О каких сигналах идет речь?
Аналоговые сигналы являются электрическими сигналами напряжения и тока. Для отображения изменяющейся физической единицы датчик может вырабатывать электрическое напряжение или изменять падение напряжения в измерительной цепи.
В технологических установках и процессах обычно измеряются следующие величины:
- Температура
- Давление
- Уровень наполнения, расход
- Колебания/вибрации
- Деформирование для измерения нагрузки
- Влажность
- Концентрация газа
- Электрофизические величины: напряжение, ток, напряженность поля и т.д.
Станции для подготовки измеренных сигналов
Центральными задачами КИПиА являются регистрация, обработка и оценка данных о состоянии окружающей среды или промышленной установки с помощью датчиков.
В основном, речь идет об этих трех областях:
- Получение сигналов от полевого уровня, как называется контролируемый и управляемый раздел
- Обработка сигнала на интерфейсном уровне или напрямую на полевом уровне при помощи электронных компонентов для усиления, преобразования и защиты путей сигнала от помех
- Компоненты для усиления, преобразования и защиты путей сигнала от помех.
Аналоговая или цифровая обработка сигналов на уровне управления с помощью анализатора или блока управления.
Аналоговый сигнал от датчика до контроллера
Разделительные усилители и измерительные трансформаторы
Электронные модули для подготовки сигнала обобщающе называются разделительные усилители, разделители сигнала или измерительные трансформаторы. Они могут обладать одной или несколькими данными функциями:
- Усиление
- Стандартизация
- Фильтрация
- Гальваническая развязка
- Электрическое питание подключенных компонентов
- Контроль линии
1. Усиление сигналов
Усиление сигнала необходимо тогда, когда сигнал слишком слаб и регистрируется подключенным анализатором только в искаженном или ослабленном виде.
Пример: Без усилителя подключенная к датчику измерительного сигнала нагрузка в 320 Ом больше, чем допустимое максимальное значение нагрузки в 300 Ом. Датчик измерительного сигнала не может управлять этой нагрузкой, измерительный сигнал будет искажен.
После добавления усилителя подключенная к датчику измерительного сигнала нагрузка 70 Ом ниже, чем допустимая максимальная нагрузка 300 Ом. Входное сопротивление анализатора в 300 Ом также не перегружает выход усилителя, поскольку оно может управлять нагрузкой до 500 Ом. Измерительный сигнал не искажается.
2. Конвертирование в стандартизированный сигнал
В зависимости от задач измерения в интерфейсном модуле аналоговые сигналы датчика могут быть преобразованы в стандартизированные сигналы. При этом результат преобразования должен быть пропорционален измеренному входному значению, чтобы не искажать измерение.
Пример: Датчик или передатчик поставляет стандартизированный сигнал от 4 до 20 мА. Анализатор требует сигнал от 0 до 10 В. Подключенный между передатчиком и анализатором преобразователь стандартизированных сигналов производит требуемую адаптацию.
Пример конвертирования в стандартизированный сигнал
3. Фильтрация
В проводниках для передачи измеренных значений может возникать напряжение помех, например, через электромагнитную индукцию или под воздействием высокочастотных сигналов, в промышленном окружении, к примеру, частотных преобразователей. Помехи особенно отрицательно влияют на сигналы напряжения.
Пример: Разделительный усилитель с функцией фильтрации распознает и подавляет напряжение помех в широком спектре частот.
Дополнительным положительным фактором является использование скрученных или экранированных проводников. Скрученные провода помогают снизить наведенное напряжение помех, а экранированные провода дополнительно отражают и поглощают электрические поля. Для дальнейшего предотвращения вышеупомянутых помех сигнал напряжения должен быть преобразован в сигнал тока.
Пример фильтрации сигнала
4. Гальваническая развязка
Гальванически изолированное сигнальное соединение называется соединением без нулевого потенциала, поскольку через него не протекают компенсационные токи между разностью потенциалов. Гальваническая развязка полевых токовых цепей и цепей управления является стандартом в производственной и перерабатывающей промышленности.
Пример
Проблема: Передатчик и анализатор заземлены, но имеют различное защитное заземление. Компенсирующий ток Ig протекает через образовавшуюся петлю цепи заземления и искажает измерительный сигнал I1.
Пример петли цепи заземления
После добавления гальванического разделителя сигналов, к примеру, передатчика, в соединительные кабели для измерительного сигнала больше не поступает переходный ток Ig. Это измеряется при помощи измерительного сигнала I1 идентичного I2.
Пример гальванической развязки, отсутствия петли цепи заземления
5. Контроль линии
Контроль проводников интегрирован во многие интерфейсные модули в качестве дополнительной функции. Функция контроля прерывания проводников и короткого замыкания более подробно описана в рекомендациях NAMUR NE 21 группы по интересам Технологии автоматизации перерабатывающей промышленности.
На графике схематически показано использование контроля проводников на протяжении всего пути передачи от датчика до анализатора.
При этом сопротивление от 400 до 2 кОм обеспечивает максимальный ток при закрытом коммутаторе, который меньше тока короткого замыкания. Сопротивление 10 кОм обеспечивает ток утечки при открытом коммутаторе. При обрыве цепи ток = 0.
Пример контроля линии
Электрическое питание и разделение путей сигнала
На входных клеммах разделительного усилителя или анализатора делают различие между пассивным и активным входом, в зависимости от того, имеет ли подключенный датчик или передатчик собственный источник питания или питание производится от сигнальных проводников датчика.
Пассивный вход
Единственная функция сигнального входа – принимать сигнал. В примере разделительный усилитель и анализатор имеют пассивные входы. Активный датчик или передатчик (с четырьмя разъемами) питает пассивный вход разделительного усилителя. Активный выход разделительного усилителя питает пассивный вход анализатора.
Пример пассивного сигнального входа
Активный вход
Сигнальный вход имеет две функции: прием сигнала и питание посылающего сигнал устройства.
В примере разделительный усилитель оснащен активным входом. Он питает 2- или 3-проводной датчик или передатчик. Активный выход разделительного усилителя питает пассивный вход анализатора (как в предыдущем примере). Требующие электрического питания компоненты могут получать его через отдельный источник питания или через сигнальный провод.
Пример активного сигнального входа
Пассивная изоляция, питание от входных контуров
Питание разделительного усилителя через сигнальный вход от передатчика (питание от входного контура).
Пути сигнала между активным датчиком или передатчиком (4-проводное подключение) и разделительным усилителем в данном случае не отделены от питания передатчика. Здесь активный датчик/передатчик берет на себя питание разделительного усилителя.
Датчик/передатчик должен подавать питание на всю нагрузку, состоящую из разделительного усилителя и входа анализатора.
Подходит только для сигналов от 4 до 20 мА.
Пример пассивной изоляции, питание от входных контуров
Пассивная изоляция, питание от выходного контура
Питание разделительного усилителя в данном случае производится через сигнальный выход от анализатора (питание от выходного контура).
Путь сигнала между датчиком или передатчиком (4-проводное подключение) и разделительным усилителем отделен от питания передатчика.
Путь сигнала между разделительным усилителем и анализатором не отделен от питания анализатора. Здесь анализатор берет на себя питание разделительного усилителя. Подходит только для сигналов от 4 до 20 мА.
Пример пассивной изоляции, питание от выходного контура
