調節和保護數位和類比過程訊號

量測訊號處理站

量測、控制和調節技術的核心領域指的是用電子感測器採集、處理和評估周圍環境或工業系統的狀態資料。

這裡主要涉及三個方面：

1. 現場訊號採集，稱作被監控和被控制的區域
2. 藉助用於放大、轉換和防止訊號路徑干擾的電子元件，在介面級別或直接在現場級別調節訊號
3. 在控制級別透過一個評估或控制單元進行類比或數位訊號處理。

1. 訊號放大

當訊號太弱並且所連接評估單元只能將該訊號記錄為失真或衰减訊號時，就有必要放大訊號。

範例：
若無放大器，量測訊號發生器上連接的負載/負荷為 320 Ω，高於允許的最高負載 300 Ω。量測訊號發生器無法驅動此負載，該量測訊號失真。
插入放大器後，量測訊號發生器上連接的負載為 70 Ω，低於允許的最高負載 300 Ω。評估單元的輸入電阻為 300 Ω，可以驅動高達 500 Ω 的負載，因此不會導致放大器輸出過載。該量測訊號不會失真。

2. 轉換成標準訊號

類比感測器訊號可以在一個介面模組中依照量測任務轉換成標準訊號。轉換的結果必須與測得的輸入值成比例，以免量測失真。

範例：
感測器或變送器提供一個 4 至 20 mA 的標準訊號。評估單元需要一個 0 至 10 V 的訊號。在變送器和評估單元之間的標準訊號轉換器執行所需的調整。

3. 濾波

用於傳輸量測值的線路會出現干擾電壓，比如因為受到電磁感應或高頻率訊號的影響；在工業環境中，則是受到變頻器等的影響。若為電壓訊號，干擾會特別強。

範例：
具備濾波功能的訊號調節器可偵測並抑制寬頻譜內的干擾電壓。
此外，使用雙絞線或遮罩線也非常有幫助。雙絞線有助於降低感應干擾電壓，遮罩線還可以反射和吸收電場。為了進一步防止上述干擾，應將電壓訊號轉換為電流訊號。

4. 電氣隔離

電氣隔離型訊號連接被稱作無電位連接，這是因為電位差之間不會有任何平衡電流流過。在設備和過程工業，預設對現場電路和控制電路進行電氣隔離。

範例：
問題：變送器和評估單元接地，但具有不同的接地電勢。平衡電流 Ig 流過由此產生的接地電流環路，致使量測訊號 I1 失真。

將變壓器等用於電氣隔離的訊號隔離器插入到量測訊號的連接線後，就不再會有平衡電流 Ig 流經。量測結果表明量測訊號 I1 與 I2 相同。

5. 線路監控

線路監控作為附加功能整合在眾多介面模組中。國際過程工業自動化技術使用者協會在 NAMUR 建議規範 NE 21 中對線路中斷和短路的監控功能作了詳細規定。

範例：
這張圖展示了如何對整條訊號傳輸路徑（從感測器一直到評估單元）進行線路監控。
400 至 2 kΩ 的電阻確保了閉合開關的最大電流小於短路電流。開關斷開時，10 kΩ 電阻提供閉路電流。當線路中斷時，電流 = 0。

訊號路徑的供電和隔離

訊號調節器或評估單元的輸入端分成無源輸入和有源輸入，區別標準如下：所連的感測器或發送器是具備單獨的電源，還是透過感測器訊號線為其供電。

無源輸入

無源訊號輸入僅具有接收訊號的功能。

範例：
在這個範例中，訊號調節器和評估單元具備無源輸入。有源感測器和變送器（帶四個介面）為訊號調節器的無源輸入供電。訊號調節器的有源輸出為評估單元的無源輸入供電。

有源輸入

有源訊號輸入具備兩項功能：一方面用於接收訊號，另一方面用於為訊號產生器供電。

範例：
比如，訊號調節器有一個有源輸入。它為 2 線式或 3 線式感測器或變送器供電。訊號調節器的有源輸出為評估單元的無源輸入供電（與前一個範例相同）。對於那些必須供電的元件，可以透過單獨的電源或透過訊號線為其供電。

無源隔離，輸入環路供電

訊號調節器透過變送器的訊號輸入饋電（輸入環路供電）。僅適用於 4 至 20 mA 訊號。

範例：
有源感測器或變送器（4 線式連接）和訊號調節器之間的訊號路徑在這裡沒有與變送器電源分開。有源感測器/變送器在這種情況下負責為訊號調節器供電。
感測器/變送器必須驅動訊號調節器和評估單元輸入端的總負載。

無源隔離，輸出迴路供電

在這種情況下，訊號調節器透過評估單元輸出的訊號輸出饋電（輸出迴路供電）。僅適用於 4 至 20 mA 訊號。

範例：
感測器或變送器（4 線式連接）和訊號調節器之間的訊號路徑沒有與變送器電源分開。
訊號調節器和評估單元之間的訊號路徑沒有與評估單元的電源分開。評估單元在這種情況下為訊號調節器供電。