Sebbene il microprocessore e le tecnologie di rete digitale abbiano rivoluzionato il modo in cui i moderni sistemi di acquisizione dei dati gestiscono le informazioni, gran parte dei dati provenienti dai laboratori e dagli stabilimenti produttivi viene ancora trasmessa alla "vecchia maniera", tramite segnali elettrici analogici. Per comprendere in modo approfondito il funzionamento della trasmissione dei segnali analogici è necessario innanzitutto
partire da una discussione sui fondamenti dell'elettricità. Per comprendere le modalità di trasmissione di un segnale analogico su un circuito, è importante innanzitutto comprendere le relazioni che rendono possibile la trasmissione dei segnali analogici. È la relazione fondamentale tra tensione, corrente e resistenza elettrica (Figura 3-1) che consente a una corrente o tensione variabile in modo continuo di rappresentare una variabile di
processo continua. Mentre il flusso di carica è la corrente elettrica, la tensione è il lavoro svolto nel spostare un'unità di carica (1 coulomb) da un punto all'altro. L'unità di tensione è spesso chiamata differenza di potenziale o volt (V). L'unità del Sistema Internazionale di Misura (SI) per il flusso elettrico è l'ampere (A), definito come un coulomb al secondo (c/s).
Una sorgente di segnale di alimentazione, V, causerà il flusso di una corrente, I, attraverso un resistore di resistenza, R. La legge di Ohm, formulata dal fisico tedesco Georg Simon Ohm (1787-1854), definisce la relazione: V=IR Mentre la
maggior parte delle trasmissioni di segnali analogici a canale singolo utilizza variazioni di corrente o di alimentazione in corrente continua (cc) per rappresentare un valore di dati, anche le variazioni di frequenza di una corrente alternata (ca) possono essere utilizzate per comunicare informazioni. All'inizio del XIX secolo, Jean Baptiste Joseph Fourier, matematico e fisico francese, scoprì che i segnali ac potevano essere definiti in termini di onde sinusoidali. Un'onda sinusoidale è descritta da tre grandezze: ampiezza, periodo e frequenza. L'ampiezza è il valore di picco dell'onda in direzione positiva o negativa, il periodo è il tempo necessario per completare un ciclo dell'onda e la frequenza è il numero di cicli completi per unità di tempo (il reciproco del periodo). La maggior parte dei segnali di acquisizione dei dati
può essere descritta
come analogica, digitale o a impulsi. Mentre i segnali analogici variano in modo fluido e continuo nel tempo, i segnali digitali sono presenti in punti discreti nel tempo (Figura 3-2). Nella maggior parte delle applicazioni di controllo, i segnali analogici variano in modo continuo su un intervallo di corrente o tensione specificato, ad esempio 4-20 mA cc o 0-5 V cc. Mentre i segnali digitali sono essenzialmente on/off (la pompa è accesa o spenta, la bottiglia è presente o assente), i segnali analogici rappresentano entità variabili in modo continuo come temperature, pressioni o portate. Poiché i controller e i sistemi basati su computer comprendono solo informazioni discrete on/off, è necessaria la conversione dei segnali analogici in rappresentazioni digitali (argomento trattato nel Capitolo - 1). La trasduzione è il processo di trasformazione
dell'energia da una forma all'altra. Pertanto, un trasduttore è un dispositivo che converte l'energia fisica in un segnale di tensione o corrente elettrica per la trasmissione. Esistono molte forme diverse di trasduttori elettrici analogici. I trasduttori comuni includono celle di carico per misurare la deformazione tramite resistenza e termocoppie e rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) per misurare la temperatura tramite misurazione della tensione e della resistenza, rispettivamente. I canali di trasmissione possono essere fili o cavi coassiali. Titolo didascalia immagine Per una trasmissione resistente
al rumore su distanze
significative, il segnale grezzo del trasduttore viene spesso convertito in un segnale da 4-20 mA da un trasmettitore a due fili alimentato in loop. Il valore minimo dell'intervallo di una variabile di processo, ad esempio la temperatura, è in genere designato come 4 mA, rendendo facile distinguere un guasto del trasmettitore (0 mA) da un segnale valido. Se la sorgente di corrente è di buona qualità, i loop di corrente tendono ad essere meno sensibili alla captazione di rumore da interferenze elettromagnetiche rispetto ai segnali basati sulla tensione. Nella trasmissione di
segnali analogici in
un impianto di processo o in una fabbrica, uno dei requisiti più critici è la protezione dell'integrità dei dati. Tuttavia, quando un sistema di acquisizione dei dati trasmette segnali analogici di basso livello tramite cavi, è inevitabile che si verifichi un certo degrado del segnale a causa del rumore e delle interferenze elettriche. Il rumore e il degrado del segnale sono due problemi fondamentali nella trasmissione dei segnali analogici. Il rumore è definito come
qualsiasi fenomeno elettrico o magnetico indesiderato che corrompe un segnale di messaggio. Il rumore può essere classificato in due grandi categorie in base alla fonte: rumore interno e rumore esterno. Mentre il rumore interno è generato da componenti associati al segnale stesso, il rumore esterno si verifica quando fenomeni elettrici o magnetici naturali o artificiali influenzano il segnale durante la trasmissione. Il rumore limita la capacità di identificare correttamente il messaggio inviato e pertanto limita il trasferimento di informazioni. Alcune delle fonti di rumore interno ed esterno includono: I cavi di segnale possono captare due tipi di rumore esterno:
(RFI) Percorsi di dispersione ai terminali di ingresso Segnali turbolenti provenienti da altri strumenti Captazione di carica elettrica da fonti di alimentazione Commutazione di carichi ad alta corrente nei cavi vicini Autoriscaldante dovuto a variazioni di resistenza Archi elettrici Fulmini Motori elettrici Transitori e impulsi ad alta frequenza che passano nell'apparecchiatura Cablaggio e installazione non corretti Errore di conversione del segnale; e Disturbi di processo incontrollabili. Titolo didascalia immagine Gli intervalli tipici per
modo comune e modo normale. Il rumore in modalità normale entra nel percorso del segnale come tensione differenziale e non può essere distinto dal segnale del trasduttore. Il rumore captato su entrambi i cavi dalla terra è denominato interferenza di modo comune. Interferenze elettromagnetiche (EMI) Interferenze radiofrequenza
i segnali dati e il rumore sono mostrati nella Figura 3-3. Il fatto che il rumore sia dannoso per le prestazioni del sistema dipende dal rapporto tra la potenza totale del segnale e il livello totale di rumore. Questo rapporto è denominato rapporto segnale/rumore. Se la potenza del segnale è elevata rispetto al segnale di rumore, spesso il rumore può essere ignorato. Tuttavia, con segnali a lunga distanza che operano con una potenza limitata, il rumore può disturbare completamente il segnale. I dispositivi a corrente sono stati ampiamente accettati negli impianti di
lavorazione, con un intervallo di corrente comune di 4-20 mA. I segnali di corrente a basso livello non solo sono sicuri, ma sono anche meno sensibili al rumore rispetto ai segnali di tensione. Se una corrente viene accoppiata magneticamente ai fili di collegamento nella trasmissione del segnale da una sorgente di corrente, non si verificherà alcuna variazione significativa nella corrente del segnale. Se il trasduttore è un dispositivo azionato da tensione, l'errore si aggiunge direttamente al segnale. Dopo la trasmissione della corrente, i segnali di alimentazione possono essere facilmente ricavati. Anche se le
interferenze interne ed esterne possono essere problematiche nell'invio di segnali analogici, la trasmissione di segnali analogici è ampiamente e con successo utilizzata nell'industria. Gli effetti del rumore possono essere ridotti con un'attenta progettazione ingegneristica, una corretta installazione, tecniche di instradamento di fili e cavi, schermatura e messa a terra.
Uno dei modi in cui gli ingegneri hanno cercato di ridurre al minimo gli effetti del rumore è quello di massimizzare il rapporto segnale/rumore. Ciò comporta l'aumento della potenza del segnale inviato. Sebbene questo funzioni in alcuni casi, presenta delle limitazioni. Aumentando il segnale, gli effetti non lineari diventano dominanti, poiché l'ampiezza del segnale aumenta, potenziando il segnale e il rumore nella stessa proporzione. Anche una corretta
messa a terra è essenziale per il funzionamento efficace di qualsiasi sistema di misurazione. Una messa a terra impropria può portare a potenziali pericolosi loop di terra e suscettibilità alle interferenze. Per comprendere i principi coinvolti nella schermatura e nella messa a terra, è necessario prima comprendere alcuni termini. Una messa a terra è un percorso conduttivo per il flusso di corrente tra un circuito elettrico e la terra. I cavi di terra sono generalmente realizzati con materiali che hanno una resistenza molto bassa. Poiché la corrente segue il percorso di minor resistenza, i cavi di terra collegati al sistema forniscono un riferimento stabile per effettuare misurazioni di tensione. I cavi di terra proteggono anche dai segnali di modo comune indesiderati e impediscono il contatto accidentale con tensioni pericolose. Le linee di ritorno trasportano corrente di alimentazione o di segnale (Figura 3-4). Un loop di terra è un loop potenzialmente pericoloso che si forma quando due o più punti di un sistema elettrico sono collegati a
terra con potenziali diversi. Esistono molte tecniche di messa a terra diverse progettate non solo per proteggere i dati trasmessi, ma anche per proteggere i dipendenti e le apparecchiature. Esistono due modi in cui tutti i sistemi dovrebbero essere messi a terra. Innanzitutto, tutte le apparecchiature di misurazione e i sistemi di registrazione dovrebbero essere messi a terra in modo che le misurazioni possano essere effettuate rispetto a un potenziale di tensione zero. Ciò non solo garantisce che non venga introdotto alcun potenziale nel dispositivo di misurazione, ma assicura anche che le custodie o gli armadi intorno alle apparecchiature non trasportino alimentazione. Per mettere a terra una custodia o un armadio, uno o più conduttori di rame pesante vengono collegati dal dispositivo a un'asta di terra stabile o a una griglia di terra designata. Questa messa a terra del sistema fornisce una base per respingere
i segnali di rumore di modo comune. È molto importante che questa messa a terra sia mantenuta stabile. La seconda messa a terra è quella del segnale. Questa messa a terra è necessaria per fornire un riferimento solido per la misurazione di tutti i segnali a basso livello. È molto importante che questa messa a terra sia separata e isolata dalla messa a terra del sistema. Se una linea di ritorno del segnale è collegata a terra alla sorgente del segnale e alla messa a terra del sistema, una differenza di potenziale tra le due messe a terra può causare una corrente circolante (Figura 3-5). In questo caso, la corrente circolante sarà in serie con i cavi del segnale e si aggiungerà direttamente al segnale proveniente dallo strumento di misura. Questi loop di terra sono in grado di creare segnali di rumore 100 volte superiori al segnale originale. Questa corrente può anche essere potenzialmente pericolosa. In una configurazione di terra a punto singolo, nella terra di riferimento può fluire una corrente minima. La Figura 3-6 mostra che, collegando
a terra il cavo
solo all'estremità del segnale, la corrente non ha alcun percorso, eliminando il loop di terra. Titolo didascalia immagine Per le misurazioni fuori terra, la schermatura o il cavo di terra vengono stabilizzati rispetto al livello basso del segnale o a un punto intermedio tra i due. Poiché la schermatura si
trova a un potenziale
superiore al riferimento di terra zero, è necessario disporre di un isolamento adeguato. Un altro aspetto importante da considerare nella trasmissione dei segnali analogici è un sistema di cablaggio adeguato, in grado di ridurre efficacemente le interferenze di rumore. La trasmissione dei segnali analogici consiste tipicamente in cavi di segnale a due fili o a tre fili. Nei sistemi che richiedono alta precisione e accuratezza, è necessaria la terza linea di segnale, o la schermatura. Nella configurazione a tre fili, la schermatura è collegata a terra alla sorgente del segnale per ridurre il rumore di modo comune. Tuttavia, ciò non elimina tutte le possibilità di introduzione di rumore. È fondamentale prevenire la captazione del rumore proteggendo le linee di segnale. Ad esempio, nel caso in cui la frequenza del rumore e quella del segnale siano uguali. In questo scenario, il segnale
non può essere
isolato/filtrato dal rumore nel dispositivo ricevente. Titolo didascalia immagine In genere, i mezzi di trasmissione a due fili vengono utilizzati per trasportare un segnale analogico da o verso l'area di campo. Un cavo che trasporta corrente e tensione alternate può indurre rumore in una coppia di cavi di segnale vicini. Si creerà una tensione/rumore differenziale poiché i due fili potrebbero trovarsi a distanze diverse dal segnale di disturbo. Esistono molte opzioni di cablaggio diverse disponibili per ridurre l'ingresso di rumore indesiderato nella linea. Quattro tipi di cavi sono fondamentali nell'ACQUISIZIONE DEI DATI: coppia
semplice, coppia schermata, coppia intrecciata e cavo coassiale. Sebbene sia possibile utilizzare un cavo semplice, in genere non è molto affidabile nel filtrare il rumore e non è consigliato. Una coppia schermata è una coppia di fili circondati da un conduttore che non trasporta corrente. La schermatura blocca la corrente interferente e la dirige verso terra. Quando si utilizza una coppia schermata, è molto importante seguire le regole di messa a terra. Anche in questo caso, la schermatura deve essere messa a terra solo in
un punto, eliminando la possibilità di correnti di loop di terra. Le coppie intrecciate aiutano ad eliminare il rumore dovuto ai campi elettromagnetici intrecciando i due conduttori di segnale a intervalli regolari. Qualsiasi disturbo indotto nel cavo avrà
la stessa ampiezza e comporterà la cancellazione dell'errore. Un cavo coassiale è un'altra alternativa per proteggere i dati dal rumore. Un cavo coassiale è costituito da un filo conduttore centrale separato da un cilindro conduttore esterno da un isolante. Il conduttore centrale è positivo rispetto al conduttore esterno e trasporta una corrente (Figura 3-7). I cavi coassiali non producono campi elettrici e magnetici esterni e non ne sono influenzati. Questo li rende ideali, anche se più costosi, per la trasmissione dei segnali. Titolo
didascalia immagine
Registratori grafici Introduzione ai registratori grafici