instrumentering är ett fält för studier och arbete som fokuserar på mätning och kontroll av fysiska processer. Dessa fysikaliska processer inkluderar tryck, temperatur, flödeshastighet och kemisk konsistens. Ett instrument är en enhet som mäter och/eller agerar för att kontrollera någon form av fysisk process. På grund av det faktum att elektriska mängder spänning och ström är lätta att mäta, manipulera och överföra över långa avstånd, används de ofta för att representera sådana fysiska variabler och överföra informationen till avlägsna platser.

en signal är någon form av fysisk kvantitet som förmedlar information. Hörbart tal är verkligen en slags signal, eftersom det förmedlar en persons tankar (information) till en annan genom det fysiska mediet av ljud. Handgester är också signaler som förmedlar information med hjälp av ljus.

denna text är en annan typ av signal, tolkad av ditt engelskutbildade sinne som information om elektriska kretsar. I detta kapitel, ordet signalen kommer att användas främst med hänvisning till en elektrisk mängd spänning eller ström som används för att representera eller beteckna någon annan fysisk kvantitet.

Analog vs. Digital

en analog signal är en typ av signal som är kontinuerligt variabel, i motsats till att ha ett begränsat antal steg längs dess intervall (kallad digital). Ett välkänt exempel på analog vs. digital är Klockor: analog är typen med pekare som långsamt roterar runt en cirkulär skala, och digital är typen med decimaltalskärmar eller en ”begagnad” som rycker snarare än smidigt roterar.

den analoga klockan har ingen fysisk gräns för hur fint den kan visa tiden, eftersom dess ”händer” rör sig på ett smidigt, pauslöst sätt. Den digitala klockan kan å andra sidan inte förmedla någon tidsenhet mindre än vad skärmen tillåter. Typen av klocka med en” begagnad ” som rycker i 1 sekunders intervall är en digital enhet med en minsta upplösning på en sekund.

både analoga och digitala signaler hittar tillämpning i modern elektronik, och skillnaderna mellan dessa två grundläggande former av information är något som ska behandlas mycket mer detaljerat senare i denna bok. För närvarande kommer jag att begränsa omfattningen av denna diskussion till analoga signaler, eftersom systemen som använder dem tenderar att vara av enklare design.

för den mest grundläggande översikten över detta ämne, se denna videohandledning om analog och digital elektronik.

med många fysiska kvantiteter, särskilt elektrisk, analog variabilitet är lätt att komma med. Om en sådan fysisk kvantitet används som ett signalmedium, kommer det att kunna representera variationer av information med nästan obegränsad upplösning.

Industrial Instrumentation System

under de tidiga dagarna av industriell instrumentering användes tryckluft som ett signalmedium för att förmedla information från mätinstrument till Indikerings-och kontrollanordningar placerade på distans. Mängden lufttryck motsvarade storleken på vilken variabel som mättes. Ren, torr luft vid cirka 20 pund per kvadrattum (PSI) levererades från en luftkompressor genom slang till mätinstrumentet och reglerades sedan av det instrumentet enligt den mängd som mättes för att producera en motsvarande utsignal.

till exempel skulle en pneumatisk (luftsignal) nivå ”sändare” – enhet inställd för att mäta vattenhöjden (”processvariabeln”) i en lagertank mata ut ett lågt lufttryck när tanken var tom, ett medeltryck när tanken var delvis full och ett högt tryck när tanken var helt full.

”vattennivåindikatorn” (LI) är inget annat än en tryckmätare som mäter lufttrycket i den pneumatiska signallinjen. Detta lufttryck, som är en signal, är i sin tur en representation av vattennivån i tanken. Varje variation av nivå i tanken kan representeras av en lämplig variation i trycket hos den pneumatiska signalen.

bortsett från vissa praktiska gränser som införts av mekaniken för lufttrycksanordningar, är denna pneumatiska signal oändligt variabel, som kan representera någon grad av förändring i vattennivån och är därför analog i ordets verkliga mening.

rå som det kan tyckas, bildade denna typ av pneumatiska signalsystem ryggraden i många industriella mät-och styrsystem runt om i världen och ser fortfarande användning idag på grund av dess enkelhet, säkerhet och tillförlitlighet. Lufttryckssignaler överförs enkelt genom billiga rör, mäts lätt (med mekaniska tryckmätare) och manipuleras enkelt av mekaniska anordningar med bälgar, membran, ventiler och andra pneumatiska anordningar. Lufttryckssignaler är inte bara användbara för att mäta fysiska processer, utan också för att styra dem.

med en tillräckligt stor kolv eller membran kan en liten lufttryckssignal användas för att generera en stor mekanisk kraft, som kan användas för att flytta en ventil eller annan styranordning. Kompletta automatiska styrsystem har gjorts med lufttryck som signalmedium. De är enkla, pålitliga och relativt lätta att förstå. De praktiska gränserna för lufttryckssignalnoggrannhet kan dock vara för begränsande i vissa fall, särskilt när tryckluften inte är ren och torr och när det finns möjlighet till slangläckage.

Med tillkomsten av halvledarelektroniska förstärkare och andra tekniska framsteg blev elektriska mängder spänning och ström praktiska för användning som Analoga instrumentsignalmedier. Istället för att använda pneumatiska trycksignaler för att vidarebefordra information om fullheten hos en vattenlagringstank, kan elektriska signaler vidarebefordra samma information över tunna ledningar (istället för slangar) och inte kräva stöd av sådan dyr utrustning som Luftkompressorer för att fungera:

analoga elektroniska signaler är fortfarande de primära typerna av signaler som används i instrumenteringsvärlden idag (januari 2001), men det ger plats för digitala kommunikationssätt i många applikationer (mer om det ämnet senare). Trots förändringar i teknik är det alltid bra att ha en grundlig förståelse för grundläggande principer, så följande information kommer aldrig att bli föråldrad.

Live Zero

ett viktigt begrepp som tillämpas i många analoga instrumenteringssignalsystem är ”live zero”, ett vanligt sätt att skala en signal så att en indikation på 0 procent kan diskrimineras från statusen för ett ”dött” system. Ta det pneumatiska signalsystemet som ett exempel: om signaltrycksintervallet för sändare och indikator utformades för att vara 0 till 12 PSI, med 0 PSI som representerar 0 procent av processmätningen och 12 PSI som representerar 100 procent, kan en mottagen signal på 0 procent vara en legitim avläsning av 0 procent mätning eller det kan innebära att systemet inte fungerade (luftkompressor stoppad, slang trasig, sändare felaktig, etc.). Med 0 procentpunkten representerad av 0 PSI skulle det inte finnas något enkelt sätt att skilja den ena från den andra.om vi emellertid skulle skala instrumenten (sändare och indikator) för att använda en skala från 3 till 15 PSI, med 3 PSI som representerar 0 procent och 15 PSI som representerar 100 procent, skulle någon form av fel som resulterar i noll lufttryck vid indikatorn generera en avläsning av -25 procent (0 PSI), vilket helt klart är ett felaktigt värde. Den som tittar på indikatorn skulle då omedelbart kunna berätta att något var fel.

inte alla signalstandarder har ställts in med live zero-baslinjer, men de mer robusta signalstandarderna (3-15 PSI, 4-20 mA) har, och med goda skäl.

REVIEW:

• en signal är någon form av detekterbar mängd som används för att kommunicera information.
• en analog signal är en signal som kontinuerligt eller oändligt kan varieras för att representera någon liten mängd förändring.
• pneumatiska eller lufttryckssignaler var en gång vanliga i industriella instrumenteringssignalsystem. Dessa har till stor del ersatts av analoga elektriska signaler som spänning och ström.
• en levande noll avser en analog signalskala med användning av en icke-nollkvantitet för att representera 0 procent av den verkliga mätningen så att eventuella systemfel som resulterar i ett naturligt ”vila”-tillstånd av nollsignaltryck, spänning eller ström kan omedelbart identifieras.