数字量和模拟量过程信号的匹配与保护

用于测量信号匹配的站点

在MCR技术领域，核心要素是环境或工业系统状态数据的电传感采集、匹配和评估。

以下三个领域是关键所在：

1. 受控监测区域现场生成的信号
2. 借助用于放大、转换和保护信号路径免受干扰的电子元件，在接口层或直接在现场侧进行信号匹配
3. 使用评估单元或控制单元，在控制层处理模拟量或数字量信号。

1. 信号放大

若信号过弱，则相连的评估单元只能采集到失真或衰减信号，因此需要放大信号。

示例：
没有放大器时，连接到测量传感器的负载为320 Ω，高于最大允许负载300 Ω。测量传感器无法驱动此负载，否则会导致测量信号失真。
通过加装放大器，连接到测量传感器的负载为70 Ω，从而低于最大允许负载300 Ω。此外，评估单元可驱动高达500 Ω的负载，因此单元300 Ω的输入电阻不会造成放大器输出过载。测量信号即可避免失真。

2. 转换为标准信号

根据具体测量任务，模拟量传感器信号可转换为接口模块的标准信号之一。该转换结果应与测量输入值成比例，避免测量结果失真。

示例：
传感器或变送器提供4至20 mA的标准信号。评估单元需要0到10 V的信号。变送器与评估单元之间连接有标准信号转换器，可进行所需调整。

3. 滤波

例如，由于工业环境中变频器导致的电磁感应或高频信号，用于传输测量值的电缆会产生干扰电压。干扰过于强烈的情况下，电压信号都会受到影响。

示例：
信号隔离变送器具备滤波功能，可检测并抑制宽频谱中的干扰电压。
使用额外的双绞线或屏蔽电缆也有所帮助。双绞线可降低感应干扰电压，屏蔽电缆则可反射和吸收电场。为进一步避免上述原因导致的干扰，电压信号应转换为电流信号。

4. 电气隔离

电气隔离信号连接称为浮地连接，因为在电势差之间没有补偿电流流过。在工厂与过程行业，现场电路和控制电路的电气隔离已成为既定标准。

示例：
问题在于，变送器和评估单元都接地，但它们的接地电位不同。补偿电流lg流经由此产生的接地电流回路，从而造成测量信号I1失真。

将电流信号隔离器（如 变送器）集成到用于测量信号的连接电缆后，lg补偿电流不再流入。测量信号为l2，与测量信号l1相同。

5. 线路监测

作为附加功能，线路监测已集成到许多接口模块。诸如面向线路中断和短路的监测功能，过程行业自动化技术用户协会制定的NE 21 NAMUR推荐性规范给出了详细规定。

示例：
该示意图展示了在从传感器到评估单元的整个信号传输路径上，如何使用线路监测功能。
电阻值在400至2 kΩ之间，确保了闭合开关的最大电流小于短路电流。开关断开时，10 kΩ电阻提供闭路电流。线路中断时，电流为零。

信号路径的电源和电流隔离

根据所连接的传感器或变送器是否有自己的电源或是通过传感器电缆供电，信号隔离变送器或评估单元输入端子上的无源输入和有源输入之间存在差异。

无源输入

无源信号输入的唯一功能是接收信号。

示例：
在该示例中，信号隔离变送器和评估单元具有无源输入。有源传感器或变送器（四线制）为信号隔离变送器的无源输入供电。信号隔离变送器的有源输出为评估单元的无源输入供电。

有源输入

有源信号输入具有两个功能：一个是接收信号，另一个是为信号发生器供电。

示例：
在该示例中，信号隔离变送器有一个有源输入。此输入为传感器或变送器（二线制或三线制）供电。信号隔离变送器的有源输出为评估单元的无源输入供电（如前一个示例所示）。针对需要电源的组件，可通过单独的电源或信号线供电。

无源隔离，输入回路供电

信号隔离变送器通过信号输入为变送器供电（输入回路供电）。该设计仅适用于4至20 mA的信号。

示例：
针对变送器电源，有源传感器/变送器（四线制）与信号隔离变送器之间的信号路径并未隔离开来。在这种情况下，有源传感器/变送器负责信号隔离变送器的供电。
传感器/变送器需要驱动信号隔离变送器和评估单元输入的总负载。

无源隔离，输出回路供电

在这种情况下，信号隔离变送器通过评估单元的信号输出供电（输出回路供电）。该设计仅适用于4至20 mA的信号。

示例：
针对变送器电源，传感器/变送器（四线制）与信号隔离变送器之间的信号路径已经隔离开来。
而对于评估单元电源，信号隔离变送器与评估单元之间的信号路径并未隔离开来。在这种情况下，评估单元负责信号隔离变送器的供电。