instrumentointi on fyysisten prosessien mittaamiseen ja ohjaamiseen keskittyvä tutkimus-ja työala. Näitä fysikaalisia prosesseja ovat paine, lämpötila, virtausnopeus ja kemiallinen koostumus. Laite on laite, joka mittaa ja/tai toimii minkä tahansa fyysisen prosessin ohjaamiseksi. Koska jännitteen ja virran sähkösuureita on helppo mitata, manipuloida ja lähettää pitkillä etäisyyksillä, niitä käytetään laajalti edustamaan tällaisia fysikaalisia muuttujia ja lähettämään tietoa syrjäisiin paikkoihin.

signaali on mikä tahansa informaatiota välittävä fysikaalinen suure. Kuuluva puhe on varmasti eräänlainen signaali, koska se välittää ihmisen ajatukset (tiedot) toiselle fyysisen äänen välityksellä. Käsieleet ovat myös signaaleja, jotka välittävät tietoa valon avulla.

Tämä teksti on toisenlainen signaali, jonka englantilaistunut mielesi tulkitsee tiedoksi sähköpiireistä. Tässä luvussa sanaa signaali käytetään ensisijaisesti viittaamaan sähköiseen jännitteen tai virran suureeseen, jota käytetään edustamaan tai merkitsemään jotakin muuta fysikaalista suuretta.

analoginen vs. digitaalinen

analoginen signaali on eräänlainen signaali, joka on portaattomasti muuttuva, eikä sillä ole rajoitettua määrää askelia kantamallaan (kutsutaan digitaaliseksi). Tunnettu esimerkki analogisesta vs. digitaalisesta on kellojen: analoginen on tyyppi osoittimet, jotka hitaasti pyörivät ympäri pyöreä asteikko, ja digitaalinen on tyyppi desimaaliluku näyttää tai ”second-hand”, joka nykii eikä sujuvasti pyörii.

analogisella kellolla ei ole fyysistä rajaa sille, kuinka hienosti se pystyy näyttämään ajan, sillä sen ”kädet” liikkuvat sulavasti, tauotta. Digitaalikello taas ei pysty välittämään mitään aikayksikköä pienempää kuin mitä sen näyttö sallii. Kellotyyppi, jossa on 1 sekunnin välein nykivä ”second-hand”, on digitaalinen laite, jonka resoluutio on vähintään yksi sekunti.

sekä analogiset että digitaaliset signaalit löytävät sovelluksensa nykyaikaisesta elektroniikasta, ja näiden kahden perusmuodon välisiä eroja on käsiteltävä paljon yksityiskohtaisemmin myöhemmin tässä kirjassa. Rajoitan keskustelun toistaiseksi analogisiin signaaleihin, koska niitä käyttävät järjestelmät ovat yleensä yksinkertaisempia.

Katso tästä analogista ja digitaalista elektroniikkaa käsittelevä opetusvideo.

monilla fysikaalisilla suureilla, erityisesti sähköisellä, analogisella vaihtelevuudella on helppo tulla vastaan. Jos tällaista fysikaalista suuretta käytetään signaalivälineenä, se pystyy edustamaan tiedon variaatioita lähes rajattomalla resoluutiolla.

teollisuuden Instrumentointijärjestelmä

teollisuuden instrumentoinnin alkuaikoina paineilmaa käytettiin signalointivälineenä välittämään tietoa mittauslaitteista etänä sijaitseviin osoitin-ja ohjauslaitteisiin. Ilmanpaineen määrä vastasi mitattavan muuttujan suuruutta. Puhdasta, kuivaa ilmaa, jonka teho oli noin 20 paunaa neliötuumaa kohti (PSI), syötettiin ilmakompressorista letkun kautta mittauslaitteeseen, ja kyseinen laite sääteli sitä sen mukaan, mikä määrä mitattiin vastaavan lähtösignaalin tuottamiseksi.

esimerkiksi paineilman (ilmasignaalin) tason ”lähetin”, joka on perustettu mittaamaan veden korkeutta (”prosessimuuttuja”) varastosäiliössä, aiheuttaisi alhaisen ilmanpaineen, kun säiliö oli tyhjä, keskipaineen, kun säiliö oli osittain täynnä, ja korkean paineen, kun säiliö oli täysin täynnä.

”vedenkorkeusindikaattori” (LI) ei ole mitään muuta kuin paineilman signaalilinjan ilmanpainetta mittaava painemittari. Tämä Ilmanpaine, joka on signaali, on puolestaan esitys vedenkorkeudesta säiliössä. Mitä tahansa säiliön tason vaihtelua voidaan edustaa paineilmasignaalin paineen asianmukaisella vaihtelulla.

lukuun ottamatta tiettyjä ilmanpainelaitteiden mekaniikan asettamia käytännön rajoja, tämä paineilmasignaali on portaattomasti muuttuva, kykenee edustamaan mitä tahansa veden tason muutosta ja on näin ollen sanan varsinaisessa merkityksessä analoginen.

niin Raakamaiselta kuin se saattaakin näyttää, tällainen pneumaattinen merkinantojärjestelmä muodosti selkärangan monille teollisuuden mittaus-ja ohjausjärjestelmille ympäri maailmaa, ja sitä käytetään edelleen nykyään sen yksinkertaisuuden, turvallisuuden ja luotettavuuden vuoksi. Ilmanpainesignaalit välittyvät helposti edullisten putkien kautta, ne on helppo mitata (mekaanisilla painemittareilla), ja niitä on helppo käsitellä mekaanisilla laitteilla, joissa käytetään palkeita, kalvoja, venttiilejä ja muita pneumaattisia laitteita. Ilmanpainesignaalit eivät ole hyödyllisiä ainoastaan fysikaalisten prosessien mittaamiseen, vaan myös niiden ohjaamiseen.

riittävän suurella männällä tai kalvolla voidaan pienellä ilmanpainesignaalilla tuottaa suuri mekaaninen voima, jolla voidaan liikuttaa venttiiliä tai muuta säätölaitetta. Täydelliset automaattiset ohjausjärjestelmät on tehty käyttäen ilmanpainetta signaalivälineenä. Ne ovat yksinkertaisia, luotettavia ja suhteellisen helppo ymmärtää. Kuitenkin käytännön rajat Ilmanpaine signaalin tarkkuus voi olla liian rajoittava joissakin tapauksissa, varsinkin kun paineilma ei ole puhdasta ja kuivaa, ja kun mahdollisuus letku vuotoja olemassa.

solid-state-elektronisten vahvistimien ja muiden teknologisten edistysaskelten myötä jännitteen ja virran Sähköiset suureet tulivat käytännölliseksi käytettäväksi analogisena instrumenttien signalointivälineenä. Sen sijaan, että ilmanpainesignaalit välittäisivät tietoa vesisäiliön täyteläisyydestä, sähköiset signaalit voisivat välittää samat tiedot ohuilla johdoilla (letkujen sijaan) eivätkä vaatisi tällaisten kalliiden laitteiden, kuten ilmakompressorien, tukea toimiakseen.:

analogiset elektroniset signaalit ovat edelleen instrumentointimaailmassa (tammikuussa 2001) ensisijaisia signaalilajeja, mutta se on väistymässä digitaalisten viestintämuotojen tieltä monissa sovelluksissa (lisää aiheesta myöhemmin). Tekniikan muutoksista huolimatta on aina hyvä ymmärtää perinpohjaisesti perusperiaatteet, joten seuraavat tiedot eivät koskaan todella vanhene.

Live Zero

yksi tärkeä monissa analogisissa instrumentointisignaalijärjestelmissä käytetty käsite on ”live zero”, joka on tavanomainen tapa skaalata signaalia niin, että 0 prosentin merkki voidaan erottaa ”kuolleen” järjestelmän tilasta. Otetaan esimerkiksi pneumaattinen Signaalijärjestelmä: jos lähettimen ja indikaattorin signaalipaine-alue suunniteltiin 0-12 PSI: ksi, jossa 0 PSI edustaa 0 prosenttia prosessimittauksesta ja 12 PSI edustaa 100 prosenttia, vastaanotettu signaali 0 prosenttia voi olla oikeutettu luku 0 prosentin mittauksesta tai se voi tarkoittaa, että järjestelmä oli epäkunnossa (kompressori pysähtyi, letku rikki, lähetin epäkunnossa jne.). Kun 0 prosenttiyksikköä edustaa 0 PSI, ei olisi helppoa tapaa erottaa toista toisistaan.

Jos kuitenkin mittalaitteet (lähetin ja ilmaisin) skaalattaisiin asteikolla 3-15 PSI, jossa 3 PSI edustaa 0 prosenttia ja 15 PSI edustaa 100 prosenttia, mikä tahansa toimintahäiriö, joka johtaa ilmanpaineen nollaantumiseen ilmaisimessa, tuottaisi lukeman -25 prosenttia (0 PSI), mikä on selvästi viallinen arvo. Indikaattorin katsoja osaisi sitten heti todeta, että jotain on vialla.

kaikkia signaalistandardeja ei ole perustettu live zero-perusviivoilla, mutta järeämmät signaalistandardit (3-15 PSI, 4-20 mA) ovat, ja hyvästä syystä.

arvostelu:

• signaali on mikä tahansa havaittava Suure, jota käytetään tiedon välittämiseen.
• analoginen signaali on signaali, joka voi olla jatkuvasti tai äärettömästi muunneltavissa edustamaan mitä tahansa pientä muutosta.
• paineilma-eli ilmanpainesignaalit olivat aikoinaan yleisiä teollisuuden instrumentointisignaalijärjestelmissä. Nämä ovat suurelta osin syrjäyttäneet analogiset sähköiset signaalit, kuten jännitteen ja virran.
• elävä nolla tarkoittaa analogista signaaliasteikkoa, jossa ei-nollamäärää käytetään edustamaan 0 prosenttia reaalimaailman mittauksesta, jotta kaikki järjestelmän toimintahäiriöt, jotka johtavat luonnolliseen ”lepoon” Nollasignaalin paineen, jännitteen tai virran ollessa välittömästi tunnistettavissa.