Instrumentierung ist ein Studien- und Arbeitsgebiet, das sich auf die Messung und Steuerung physikalischer Prozesse konzentriert. Diese physikalischen Prozesse umfassen Druck, Temperatur, Durchflussrate und chemische Konsistenz. Ein Instrument ist ein Gerät, das jede Art von physikalischem Prozess misst und / oder steuert. Aufgrund der Tatsache, dass elektrische Größen von Spannung und Strom leicht zu messen, zu manipulieren und über große Entfernungen zu übertragen sind, werden sie häufig verwendet, um solche physikalischen Variablen darzustellen und die Informationen an entfernte Standorte zu übertragen.

Ein Signal ist jede Art von physikalischer Größe, die Informationen übermittelt. Hörbare Sprache ist sicherlich eine Art Signal, da sie die Gedanken (Informationen) einer Person durch das physische Medium Klang an eine andere Person übermittelt. Auch Handgesten sind Signale, die mittels Licht Informationen vermitteln.

Dieser Text ist eine andere Art von Signal, das von Ihrem englisch geschulten Verstand als Information über Stromkreise interpretiert wird. In diesem Kapitel wird das Wort Signal hauptsächlich in Bezug auf eine elektrische Größe von Spannung oder Strom verwendet, die verwendet wird, um eine andere physikalische Größe darzustellen oder zu bezeichnen.

Analog vs. Digital

Ein analoges Signal ist eine Art von Signal, das kontinuierlich variabel ist, im Gegensatz zu einer begrenzten Anzahl von Schritten entlang seines Bereichs (digital genannt). Ein bekanntes Beispiel für analog vs. digital ist das von Uhren: analog ist der Typ mit Zeigern, die sich langsam um eine kreisförmige Skala drehen, und digital ist der Typ mit Dezimalzahlenanzeigen oder einem „Sekundenzeiger“, der eher ruckelt als sich sanft dreht.

Die analoge Uhr hat keine physikalische Grenze, wie fein sie die Zeit anzeigen kann, da sich ihre „Zeiger“ sanft und pausenlos bewegen. Die Digitaluhr hingegen kann keine Zeiteinheit übermitteln, die kleiner ist als das, was ihre Anzeige zulässt. Die Art der Uhr mit einem „Sekundenzeiger“, der in 1-Sekunden-Intervallen ruckelt, ist ein digitales Gerät mit einer minimalen Auflösung von einer Sekunde.

Sowohl analoge als auch digitale Signale finden Anwendung in der modernen Elektronik, und die Unterschiede zwischen diesen beiden grundlegenden Informationsformen werden später in diesem Buch viel ausführlicher behandelt. Im Moment werde ich den Umfang dieser Diskussion auf analoge Signale beschränken, da die Systeme, die sie verwenden, tendenziell einfacher aufgebaut sind.

Den grundlegendsten Überblick über dieses Thema finden Sie in diesem Video-Tutorial zur analogen und digitalen Elektronik.

Bei vielen physikalischen Größen, insbesondere elektrischen, ist analoge Variabilität leicht zu finden. Wenn eine solche physikalische Größe als Signalmedium verwendet wird, kann sie Variationen von Informationen mit nahezu unbegrenzter Auflösung darstellen.

Industrielles Instrumentierungssystem

In den frühen Tagen der industriellen Instrumentierung wurde Druckluft als Signalmedium verwendet, um Informationen von Messinstrumenten an ferngesteuerte Anzeige- und Steuergeräte zu übermitteln. Die Höhe des Luftdrucks entsprach der Größe der gemessenen Variablen. Saubere, trockene Luft mit ungefähr 20 Pfund pro Quadratzoll (PSI) wurde von einem Luftkompressor über Schläuche dem Messgerät zugeführt und dann von diesem Gerät entsprechend der gemessenen Menge geregelt, um ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.

Zum Beispiel würde ein pneumatischer (Luftsignal-) Füllstandmessumformer, der zur Messung der Wasserhöhe (der „Prozessvariablen“) in einem Lagertank eingerichtet ist, einen niedrigen Luftdruck ausgeben, wenn der Tank leer war, einen mittleren Druck, wenn der Tank teilweise voll war, und einen hohen Druck, wenn der Tank vollständig voll war.

Die „Wasserstandsanzeige“ (LI) ist nichts anderes als ein Manometer, das den Luftdruck in der pneumatischen Signalleitung misst. Dieser Luftdruck, der ein Signal ist, ist wiederum eine Darstellung des Wasserstandes im Tank. Jede Änderung des Füllstands im Tank kann durch eine entsprechende Änderung des Drucks des pneumatischen Signals dargestellt werden.

Abgesehen von bestimmten praktischen Grenzen, die durch die Mechanik von Luftdruckgeräten auferlegt werden, ist dieses pneumatische Signal stufenlos variabel, kann jeden Grad der Änderung des Wasserspiegels darstellen und ist daher im wahrsten Sinne des Wortes analog.Roh wie es scheinen mag, bildete diese Art von pneumatischem Signalsystem das Rückgrat vieler industrieller Mess- und Steuerungssysteme auf der ganzen Welt und wird aufgrund seiner Einfachheit, Sicherheit und Zuverlässigkeit auch heute noch verwendet. Luftdrucksignale werden leicht durch preiswerte Rohre übertragen, leicht gemessen (mit mechanischen Manometern) und können leicht von mechanischen Geräten unter Verwendung von Bälgen, Membranen, Ventilen und anderen pneumatischen Geräten manipuliert werden. Luftdrucksignale eignen sich nicht nur zur Messung physikalischer Prozesse, sondern auch zur Steuerung.

Mit einem ausreichend großen Kolben oder einer Membran kann ein kleines Luftdrucksignal verwendet werden, um eine große mechanische Kraft zu erzeugen, mit der ein Ventil oder ein anderes Steuergerät bewegt werden kann. Komplette automatische Steuerungssysteme wurden unter Verwendung von Luftdruck als Signalmedium hergestellt. Sie sind einfach, zuverlässig und relativ leicht zu verstehen. Die praktischen Grenzen für die Genauigkeit des Luftdrucksignals können jedoch in einigen Fällen zu einschränkend sein, insbesondere wenn die Druckluft nicht sauber und trocken ist und wenn die Möglichkeit von Schlauchlecks besteht.Mit dem Aufkommen von elektronischen Festkörperverstärkern und anderen technologischen Fortschritten wurden elektrische Spannungs- und Stromgrößen für die Verwendung als analoge Instrumentensignalisierungsmedien praktisch. Anstatt pneumatische Drucksignale zu verwenden, um Informationen über die Fülle eines Wasserspeichertanks weiterzuleiten, könnten elektrische Signale dieselben Informationen über dünne Drähte (anstelle von Schläuchen) weiterleiten und nicht die Unterstützung solch teurer Geräte wie Luftkompressoren zum Betrieb erfordern:

Analoge elektronische Signale sind immer noch die primären Arten von Signalen, die heute in der Instrumentenwelt verwendet werden (Januar von 2001), aber in vielen Anwendungen weichen sie digitalen Kommunikationsmodi (mehr dazu später). Trotz technologischer Veränderungen ist es immer gut, grundlegende Prinzipien gründlich zu verstehen, damit die folgenden Informationen nie wirklich veraltet sind.

Live Zero

Ein wichtiges Konzept, das in vielen analogen Messsignalsystemen angewendet wird, ist das von „Live Zero“, einer Standardmethode zur Skalierung eines Signals, so dass eine Anzeige von 0 Prozent vom Status eines „toten“ Systems unterschieden werden kann. Nehmen Sie das pneumatische Signalsystem als Beispiel: wenn der Signaldruckbereich für Messumformer und Anzeige auf 0 bis 12 PSI ausgelegt wurde, wobei 0 PSI 0 Prozent der Prozessmessung und 12 PSI 100 Prozent darstellt, kann ein empfangenes Signal von 0 Prozent ein legitimer Messwert von 0 Prozent sein Messung oder es könnte bedeuten, dass das System nicht richtig funktioniert (Luftkompressor gestoppt, Schläuche gebrochen, Sender defekt, etc.). Da der 0-Prozentpunkt durch 0 PSI dargestellt wird, gibt es keine einfache Möglichkeit, den einen vom anderen zu unterscheiden.

Wenn wir jedoch die Instrumente (Sender und Anzeige) auf eine Skala von 3 bis 15 PSI skalieren würden, wobei 3 PSI 0 Prozent und 15 PSI 100 Prozent darstellen, würde jede Art von Fehlfunktion, die zu einem Luftdruck von Null am Indikator führt, einen Messwert von -25 Prozent (0 PSI) erzeugen, was eindeutig ein fehlerhafter Wert ist. Die Person, die den Indikator betrachtet, kann dann sofort feststellen, dass etwas nicht stimmt.

Nicht alle Signalstandards wurden mit Live-Null-Baselines eingerichtet, aber die robusteren Signalstandards (3-15 PSI, 4-20 mA) haben, und das aus gutem Grund.

ÜBERPRÜFUNG:

• Ein Signal ist jede Art von detektierbarer Größe, die zur Übermittlung von Informationen verwendet wird.
• Ein analoges Signal ist ein Signal, das kontinuierlich oder unendlich variiert werden kann, um eine kleine Änderung darzustellen.
• Pneumatische oder Luftdrucksignale waren einst in industriellen Instrumentierungssignalsystemen üblich. Diese wurden weitgehend durch analoge elektrische Signale wie Spannung und Strom abgelöst.Eine Live-Null bezieht sich auf eine analoge Signalskala, die eine Größe ungleich Null verwendet, um 0 Prozent der realen Messung darzustellen, so dass jede Systemstörung, die zu einem natürlichen „Ruhezustand“ von Null Signaldruck, Spannung oder Strom führt, sofort erkannt werden kann.