La strumentazione è un campo di studio e di lavoro incentrato sulla misurazione e il controllo dei processi fisici. Questi processi fisici includono pressione, temperatura, portata e consistenza chimica. Uno strumento è un dispositivo che misura e / o agisce per controllare qualsiasi tipo di processo fisico. A causa del fatto che le quantità elettriche di tensione e corrente sono facili da misurare, manipolare e trasmettere su lunghe distanze, sono ampiamente utilizzate per rappresentare tali variabili fisiche e trasmettere le informazioni in posizioni remote.

Un segnale è qualsiasi tipo di quantità fisica che trasmette informazioni. Il discorso udibile è certamente una sorta di segnale, in quanto trasmette i pensieri (informazioni) di una persona all’altra attraverso il mezzo fisico del suono. Anche i gesti delle mani sono segnali che trasmettono informazioni per mezzo della luce.

Questo testo è un altro tipo di segnale, interpretato dalla tua mente addestrata all’inglese come informazione sui circuiti elettrici. In questo capitolo, la parola segnale sarà utilizzato principalmente in riferimento a una quantità elettrica di tensione o corrente che viene utilizzato per rappresentare o significare qualche altra quantità fisica.

Analogico vs Digitale

Un segnale analogico è un tipo di segnale che è variabile in continuo, al contrario di avere un numero limitato di passi lungo la sua gamma (chiamato digitale). Un esempio ben noto di analogico vs. digitale è quello di orologi: analogico è il tipo con puntatori che ruotano lentamente attorno a una scala circolare, e digitale è il tipo con display numero decimale o una “seconda mano” che cretini piuttosto che ruota senza intoppi.

L’orologio analogico non ha alcun limite fisico alla precisione con cui può visualizzare l’ora, poiché le sue “mani” si muovono in modo fluido e senza pause. L’orologio digitale, d’altra parte, non può trasmettere alcuna unità di tempo più piccola di quella che il suo display consentirà. Il tipo di orologio con una “seconda mano” che scatta in intervalli di 1 secondo è un dispositivo digitale con una risoluzione minima di un secondo.

Entrambi i segnali analogici e digitali trovano applicazione nell’elettronica moderna, e le distinzioni tra queste due forme di informazione di base sono qualcosa da trattare in modo molto più dettagliato più avanti in questo libro. Per ora, limiterò la portata di questa discussione ai segnali analogici, dal momento che i sistemi che li utilizzano tendono ad essere di design più semplice.

Per la panoramica più semplice di questo argomento, vedi questo video tutorial sull’elettronica analogica e digitale.

Con molte grandezze fisiche, specialmente elettriche, la variabilità analogica è facile da trovare. Se tale quantità fisica viene utilizzata come mezzo di segnale, sarà in grado di rappresentare variazioni di informazioni con risoluzione quasi illimitata.

Industrial Instrumentation System

Nei primi tempi della strumentazione industriale, l’aria compressa veniva utilizzata come mezzo di segnalazione per trasmettere informazioni dagli strumenti di misura ai dispositivi di indicazione e controllo situati in remoto. La quantità di pressione dell’aria corrispondeva alla grandezza di qualsiasi variabile veniva misurata. Aria pulita e asciutta a circa 20 libbre per pollice quadrato (PSI) è stata fornita da un compressore d’aria attraverso tubi allo strumento di misura ed è stata quindi regolata da tale strumento in base alla quantità misurata per produrre un segnale di uscita corrispondente.

Ad esempio, un dispositivo “trasmettitore” di livello pneumatico (segnale d’aria) impostato per misurare l’altezza dell’acqua (la “variabile di processo”) in un serbatoio di stoccaggio emetterebbe una pressione dell’aria bassa quando il serbatoio era vuoto, una pressione media quando il serbatoio era parzialmente pieno e un’alta pressione quando il serbatoio era completamente pieno.

L ‘ “indicatore del livello dell’acqua” (LI) non è altro che un manometro che misura la pressione dell’aria nella linea di segnale pneumatica. Questa pressione dell’aria, essendo un segnale, è, a sua volta, una rappresentazione del livello dell’acqua nel serbatoio. Qualsiasi variazione di livello nel serbatoio può essere rappresentata da un’appropriata variazione della pressione del segnale pneumatico.

A parte alcuni limiti pratici imposti dalla meccanica dei dispositivi di pressione dell’aria, questo segnale pneumatico è infinitamente variabile, in grado di rappresentare qualsiasi grado di variazione del livello dell’acqua ed è, quindi, analogico nel vero senso della parola.

Per quanto possa apparire grezzo, questo tipo di sistema di segnalazione pneumatica ha costituito la spina dorsale di molti sistemi di misurazione e controllo industriali in tutto il mondo, e vede ancora oggi l’uso grazie alla sua semplicità, sicurezza e affidabilità. I segnali di pressione dell’aria sono facilmente trasmessi attraverso tubi economici, facilmente misurati (con manometri meccanici) e facilmente manipolati da dispositivi meccanici che utilizzano soffietti, diaframmi, valvole e altri dispositivi pneumatici. I segnali di pressione dell’aria non sono solo utili per misurare i processi fisici, ma anche per controllarli.

Con un pistone o un diaframma abbastanza grandi, è possibile utilizzare un piccolo segnale di pressione dell’aria per generare una grande forza meccanica, che può essere utilizzata per spostare una valvola o un altro dispositivo di controllo. Sistemi di controllo automatici completi sono stati realizzati utilizzando la pressione dell’aria come mezzo di segnale. Sono semplici, affidabili e relativamente facili da capire. Tuttavia, i limiti pratici per la precisione del segnale di pressione dell’aria possono essere troppo limitanti in alcuni casi, specialmente quando l’aria compressa non è pulita e asciutta e quando esiste la possibilità di perdite di tubi.

Con l’avvento degli amplificatori elettronici a stato solido e di altri progressi tecnologici, le quantità elettriche di tensione e corrente divennero pratiche per l’uso come mezzi di segnalazione di strumenti analogici. Invece di utilizzare segnali di pressione pneumatici per trasmettere informazioni sulla pienezza di un serbatoio di accumulo dell’acqua, i segnali elettrici potrebbero trasmettere le stesse informazioni su fili sottili (invece di tubi) e non richiedere il supporto di apparecchiature così costose come i compressori d’aria per funzionare:

I segnali elettronici analogici sono ancora oggi i principali tipi di segnali utilizzati nel mondo della strumentazione (gennaio 2001), ma sta lasciando il posto a modalità di comunicazione digitali in molte applicazioni (ne parleremo più avanti). Nonostante i cambiamenti nella tecnologia, è sempre bene avere una comprensione approfondita dei principi fondamentali, quindi le seguenti informazioni non diventeranno mai veramente obsolete.

Live Zero

Un concetto importante applicato in molti sistemi di segnale di strumentazione analogica è quello di “live zero”, un modo standard di scalare un segnale in modo che un’indicazione dello 0 percento possa essere discriminata dallo stato di un sistema “morto”. Prendiamo il sistema di segnale pneumatico come esempio: se il campo di pressione del segnale per il trasmettitore e l’indicatore è stato progettato per essere da 0 a 12 PSI, con 0 PSI che rappresentano lo 0 per cento della misurazione del processo e 12 PSI che rappresentano il 100 per cento, un segnale ricevuto dello 0 per cento potrebbe essere una lettura legittima della misurazione dello 0 per cento o potrebbe significare che il sistema non funzionava correttamente (compressore d’aria). Con il punto percentuale 0 rappresentato da 0 PSI, non ci sarebbe un modo semplice per distinguere l’uno dall’altro.

Se, tuttavia, dovessimo scalare gli strumenti (trasmettitore e indicatore) per utilizzare una scala da 3 a 15 PSI, con 3 PSI che rappresentano lo 0 percento e 15 PSI che rappresentano il 100 percento, qualsiasi tipo di malfunzionamento con conseguente pressione dell’aria zero sull’indicatore genererebbe una lettura di -25 percento (0 PSI), che è chiaramente un valore difettoso. La persona che guarda l’indicatore sarebbe quindi in grado di dire immediatamente che qualcosa non andava.

Non tutti gli standard di segnale sono stati impostati con linee di base live zero, ma gli standard di segnale più robusti (3-15 PSI, 4-20 mA) lo hanno, e per una buona ragione.

RECENSIONE:

• Un segnale è qualsiasi tipo di quantità rilevabile utilizzata per comunicare informazioni.
• Un segnale analogico è un segnale che può essere continuamente, o infinitamente, variato per rappresentare qualsiasi piccola quantità di cambiamento.
• I segnali pneumatici, o pressione dell’aria, erano una volta comuni nei sistemi di segnale di strumentazione industriale. Questi sono stati in gran parte sostituiti da segnali elettrici analogici come tensione e corrente.
• Un live zero si riferisce a una scala di segnali analogici che utilizza una quantità diversa da zero per rappresentare lo 0% della misurazione del mondo reale in modo che qualsiasi malfunzionamento del sistema risultante in uno stato naturale di “riposo” di pressione, tensione o corrente del segnale zero possa essere immediatamente riconosciuto.