Нормалізація та захист цифрових і аналогових технологічних сигналів
У сфері контрольно-вимірювальних приладів і техніки автоматичного управління (скорочено — технології КВП), безперебійна передача сигналів має вирішальне значення. На передачу сигналів впливає дедалі активніше електричне середовище. Це особливо стосується слабких сигналів вимірювання, які надходять від датчиків. Недостатня увага до таких перешкод, неузгодженості чи інші недоліки планування погіршують безпомилкову передачу сигналу.
Типи сигналів та їх обробка
Про які сигнали йдеться?
Аналогові сигнали — це електричні сигнали напруги та струму. Для відтворення змінної фізичної величини датчик може генерувати електричну напругу або змінювати падіння напруги у вимірювальному ланцюгу.
У сфері виробничого й технологічного обладнання зазвичай вимірюються такі змінні:
- Температура
- Тиск
- Рівень заповнення Витрата
- Коливання/вібрація
- Деформація для вимірювання навантаження
- Вологість
- Концентрація газу
- Електрофізичні величини, такі як напруга, струм, напруженість поля тощо
Станції обробки вимірювальних сигналів
Основною сферою технології КВП є збирання, обробка й аналіз за допомогою електричних датчиків даних про стан довкілля чи промислової установки.
Переважно йдеться про такі три сфери:
- Отримання сигналів у полі, як називають контрольовану та керовану зону
- Нормалізація сигналу на рівні інтерфейсу або безпосередньо на польовому рівні за допомогою електронних компонентів для посилення, перетворення і захисту від перешкод на шляху сигналу
- Аналогова та/або цифрова обробка сигналів на рівні керування за допомогою пристрою аналізу/керування.
Аналоговий сигнал від датчика до контролера
Нормалізатори сигналу й вимірювальні перетворювачі
Функції нормалізаторів сигналу й вимірювальних перетворювачів
Електронні ключові елементи для обробки сигналів разом називаються нормалізаторами сигналу, ізоляторами сигналу або вимірювальними перетворювачами.
Прилади можуть мати одну або декілька з перелічених функцій:
1. Підсилення сигналу
Підсилення сигналу потрібне завжди, коли сигнал надто слабкий і може бути зареєстрований підключеним аналізатором лише у спотвореному або ослабленому вигляді.
Приклад:
Без підсилювача, навантаження/навантаження вихідного елемента 320 Ом, підключене до генератора вимірювального сигналу, було б вище за його максимально допустиме навантаження 300 Ом. Генератор вимірювального сигналу не може витримувати це навантаження вихідного елемента, сигнал вимірювання буде спотворений.
Завдяки встановленню підсилювача навантаження 70 Ом, підключене до генератора вимірювального сигналу, менше за його максимально допустиме навантаження 300 Ом. Вхідний опір аналізатора 300 Ом теж не перевантажує вихід підсилювача, оскільки він може витримувати навантаження вихідного елемента до 500 Ом. Сигнал вимірювання не спотворюється.
Beispiel Signalverstärkung zur Fehlerbeseitigung
2. Перетворення на стандартний сигнал
Аналогові сигнали датчиків можуть бути перетворені в інтерфейсному модулі на один зі стандартних сигналів залежно від завдання вимірювання. Результат перетворення має бути пропорційним виміряному вхідному значенню, щоб не спотворювати результати вимірювання.
Приклад:
Датчик або передавач видає стандартний сигнал 4–20 мА. Аналізатору потрібен сигнал 0–10 В. Перетворювач стандартних сигналів, підключений між передавачем і аналізатором, виконує необхідну нормалізацію.
Приклад перетворення на стандартний сигнал
3. Фільтрація
Напруга перешкод може виникати в лініях передачі виміряних значень, наприклад, через електромагнітну індукцію або вплив високочастотних сигналів, у промисловому середовищі, наприклад, від перетворювачів частоти. Перешкоди проявляються особливо сильно, коли задіяні сигнали напруги.
Приклад:
Приклад: нормалізатор сигналу з функцією фільтра виявляє і придушує напруги перешкод у широкому діапазоні частот.
Додатково також корисно використовувати виті чи екрановані кабелі. Виті провідники допомагають знизити наведену напругу перешкод, а екрановані кабелі додатково відбивають і поглинають електричні поля. Для подальшого запобігання зазначеним вище перешкодам сигнал напруги має бути перетворено на сигнал струму.
Приклад фільтрації сигналу
4. Гальванічна розв’язка
Гальванічно розв’язане сигнальне з’єднання називається схемою без потенціалу землі, оскільки через нього не протікають компенсаційні струми між різницею потенціалів. Гальванічна розв’язка схем польового струму і схем керування стала стандартом у машинобудівній і переробній промисловості.
Приклад:
Проблема: передавач і аналізатор заземлені, але мають різні потенціали заземлення. Через утворену земляну струмову петлю протікає компенсаційний струм Ig, який спотворює сигнал вимірювання I1.
Приклад земляної струмової петлі
Після встановлення гальванічного розділювача сигналів, наприклад ретранслятора, у з’єднувальний кабель для сигналу вимірювання більше не подається компенсаційний струм Ig. Вимірюється сигнал I2, ідентичний вимірювальному сигналу I1.
Приклад гальванічної розв’язки, без земляної струмової петлі
5. Моніторинг кабелю
Моніторинг кабелю вбудовано в багатьох інтерфейсних модулях як додаткову функцію. Функція моніторингу для виявлення обриву кабелю чи короткого замикання більш докладно описана в рекомендаціях NAMUR NE 21 асоціації користувачів технологій автоматизації у переробній промисловості.
Приклад:
На рисунку схематично показано, як використовується моніторинг кабелю на всьому шляху передачі сигналу від датчика до аналізатора.
Резистор 400–2 кОм забезпечує максимальний струм при замкненому вимикачі, який менший за струм короткого замикання. Резистор 10 кОм забезпечує струм спокою при розімкненому комутаторі. У разі обриву кабелю струм = 0.
Приклад моніторингу кабелю
Живлення та розділення шляхів проходження сигналів
Електричне живлення та розділення шляхів проходження сигналів
На вхідних клемах нормалізатора сигналу чи аналізатора розрізняють пасивний і активний вхід, залежно від того, має підключений датчик або передавач власне джерело електричного живлення чи живиться через сигнальні проводи датчика.
Пасивний вхід
Пасивний сигнальний вхід виконує єдину функцію — приймання сигналу.
Приклад:
У прикладі нормалізатор сигналу й аналізатор мають пасивні входи. Активний датчик або передавач (із чотирма з’єднаннями) живить пасивний вхід нормалізатора сигналу. Активний вихід нормалізатора сигналу живить пасивний вхід аналізатора.
Приклад пасивного сигнального входу
Активний вхід
Активний сигнальний вхід має дві функції: перша — приймання сигналу, друга — подача електричного живлення на генератор сигналу.
Приклад:
У прикладі нормалізатор сигналу має активний вхід. Він живить 2- або 3-проводовий датчик/передавач. Активний вихід нормалізатора сигналу живить пасивний вхід аналізатора (як у попередньому прикладі). Компоненти, які потребують електричного живлення, можуть живитися від окремих джерел живлення або через сигнальні проводи.
Приклад активного сигнального входу
Пасивна ізоляція, із живленням від вхідного контуру
Живлення нормалізатора сигналу за допомогою сигнального входу через передавач (із живленням від вхідного контуру). Підходить лише для сигналів 4–20 мА.
Приклад:
Шляхи проходження сигналів між активним датчиком/передавачем (4-дротове підключення) і нормалізатором сигналу не відокремлені від живлення передавача. У цій ситуації активний датчик/передавач бере на себе живлення нормалізатора сигналу.
Датчик/передавач має витримати загальне навантаженням вихідного елемента з нормалізатора сигналу та входу аналізатора.
Приклад пасивної ізоляції, живлення від вхідного контуру
Пасивна ізоляція з живленням від вихідного контуру
У такій ситуації живлення нормалізатора сигналу здійснюється за допомогою сигнального виходу через аналізатор (живлення від вихідного контуру). Підходить лише для сигналів 4–20 мА.
Приклад:
Шлях проходження сигналу між датчиком/передавачем (4-дротове підключення) і нормалізатором сигналу відокремлений від живлення передавача.
Шлях проходження сигналу між нормалізатором сигналу й аналізатором не відокремлений від живлення аналізатора. У цій ситуації аналізатор бере на себе живлення нормалізатора сигналу.
Приклад пасивної ізоляції з живленням від вихідного контуру
