instrumentatie is een studie – en werkgebied dat gericht is op het meten en regelen van fysische processen. Deze fysische processen omvatten druk, temperatuur, debiet en chemische consistentie. Een instrument is een apparaat dat Meet en / of handelt om elke vorm van fysiek proces te controleren. Vanwege het feit dat elektrische hoeveelheden spanning en stroom gemakkelijk te meten, te manipuleren en over lange afstanden te verzenden zijn, worden ze veel gebruikt om dergelijke fysieke variabelen weer te geven en de informatie naar afgelegen locaties te verzenden.

een signaal is elke soort fysieke grootheid die informatie overbrengt. Hoorbare spraak is zeker een soort signaal, omdat het de gedachten (informatie) van de ene persoon naar de andere overbrengt via het fysieke medium geluid. Handgebaren zijn ook signalen die informatie door middel van licht overbrengen.

deze tekst is een ander soort signaal, geïnterpreteerd door uw Engels-getrainde geest als informatie over elektrische circuits. In dit hoofdstuk zal het woord signaal voornamelijk worden gebruikt in verwijzing naar een elektrische hoeveelheid spanning of stroom die wordt gebruikt om een andere fysische grootheid te vertegenwoordigen of aan te duiden.

analoog vs. digitaal

een analoog signaal is een soort signaal dat continu variabel is, in tegenstelling tot het hebben van een beperkt aantal stappen langs zijn bereik (digitaal genoemd). Een bekend voorbeeld van analoog vs. digitaal is dat van klokken: analoog is het type met pointers die langzaam draaien rond een cirkelvormige schaal, en digitaal is het type met decimale nummer displays of een “tweedehands” dat schokt in plaats van soepel draait.

de analoge klok heeft geen fysieke limiet aan hoe fijn hij de tijd kan weergeven, omdat zijn “wijzers” soepel en zonder pauzes bewegen. De digitale klok, aan de andere kant, kan geen eenheid van tijd die kleiner is dan wat het display zal toestaan overbrengen. Het type klok met een “tweedehands” dat in intervallen van 1 seconde schokt, is een digitaal apparaat met een minimale resolutie van één seconde.

zowel analoge als digitale signalen vinden toepassing in de moderne elektronica, en het onderscheid tussen deze twee basisvormen van informatie moet later in dit boek veel meer in detail worden behandeld. Voor nu zal ik de reikwijdte van deze discussie beperken tot analoge signalen, omdat de systemen die ze gebruiken meestal eenvoudiger van ontwerp zijn.

voor het meest fundamentele overzicht van dit onderwerp, zie deze video tutorial over analoge en digitale elektronica.

met veel fysische grootheden, vooral elektrische, is analoge variabiliteit gemakkelijk te verkrijgen. Als een dergelijke fysische grootheid als signaalmedium wordt gebruikt, kan deze variaties van informatie met bijna onbeperkte resolutie weergeven.

Industrieel Instrumentatiesysteem

in de begindagen van de industriële instrumentatie werd perslucht gebruikt als signaalmedium om informatie over te brengen van meetinstrumenten tot op afstand geplaatste aanwijs-en regelapparatuur. De hoeveelheid luchtdruk kwam overeen met de grootte van welke variabele ook werd gemeten. Schone, droge lucht van ongeveer 20 pond per vierkante inch (PSI) werd door een luchtcompressor via slangen aan het meetinstrument geleverd en werd vervolgens door dat instrument geregeld volgens de hoeveelheid die werd gemeten om een overeenkomstig uitgangssignaal te produceren.

bijvoorbeeld, een pneumatisch (luchtsignaal) niveauzender die is ingesteld om de hoogte van het water (de “procesvariabele”) in een opslagtank te meten, zou een lage luchtdruk veroorzaken wanneer de tank leeg was, een gemiddelde druk wanneer de tank gedeeltelijk vol was, en een hoge druk wanneer de tank volledig vol was.

De “waterpeilindicator” (LI) is niets meer dan een manometer die de luchtdruk in de pneumatische signaalleiding meet. Deze luchtdruk, zijnde een signaal, is op zijn beurt een weergave van het waterpeil in de tank. Elke variatie van het niveau in de tank kan worden weergegeven door een passende variatie in de druk van het pneumatische signaal.afgezien van bepaalde praktische beperkingen die door de mechanica van luchtdrukapparaten worden opgelegd, is dit pneumatische signaal traploos instelbaar, in staat om elke graad van verandering in het waterpeil weer te geven en is het dus analoog in de ware zin van het woord.

hoe ruw het ook moge lijken, dit soort pneumatisch signaleringssysteem vormde de ruggengraat van vele industriële meet-en regelsystemen over de hele wereld, en wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt vanwege zijn eenvoud, veiligheid en betrouwbaarheid. De luchtdruksignalen worden gemakkelijk overgebracht door goedkope buizen, gemakkelijk gemeten (met mechanische manometers), en worden gemakkelijk gemanipuleerd door mechanische apparaten die balgen, membranen, kleppen, en andere pneumatische apparaten gebruiken. Luchtdruksignalen zijn niet alleen nuttig voor het meten van fysische processen, maar ook voor het regelen ervan.

met een voldoende grote zuiger of diafragma kan een klein luchtdruksignaal worden gebruikt om een grote mechanische kracht te genereren, die kan worden gebruikt om een klep of andere regelaar te bewegen. Complete automatische besturingssystemen zijn gemaakt met behulp van luchtdruk als signaalmedium. Ze zijn eenvoudig, betrouwbaar en relatief gemakkelijk te begrijpen. De praktische limieten voor de nauwkeurigheid van het luchtdruksignaal kunnen in sommige gevallen echter te beperkend zijn, vooral wanneer de perslucht niet schoon en droog is en de mogelijkheid bestaat dat er leidingen lekken.

met de komst van solid-state elektronische versterkers en andere technologische ontwikkelingen, werden elektrische hoeveelheden spanning en stroom praktisch voor gebruik als analoge instrument signaalmedia. In plaats van het gebruik van pneumatische druksignalen om informatie over de volheid van een wateropslagtank door te geven, kunnen elektrische signalen dezelfde informatie over dunne draden (in plaats van buizen) doorgeven en niet de steun van dergelijke dure apparatuur zoals luchtcompressoren nodig hebben om te werken:

analoge elektronische signalen zijn nog steeds de primaire soorten signalen die worden gebruikt in de instrumentatiewereld van vandaag (januari 2001), maar het maakt plaats voor digitale communicatiemiddelen in veel toepassingen (meer hierover later). Ondanks technologische veranderingen is het altijd goed om een grondig begrip te hebben van fundamentele principes, zodat de volgende informatie nooit echt verouderd zal worden.

Live Zero

een belangrijk concept dat wordt toegepast in veel analoge instrumentatie signaalsystemen is dat van “live zero”, een standaard manier om een signaal zo te schalen dat een indicatie van 0 procent kan worden onderscheiden van de status van een “dood” systeem. Neem het pneumatische signaalsysteem als voorbeeld: als het signaaldrukbereik voor zender en indicator is ontworpen om 0 tot 12 PSI te zijn, met 0 PSI die 0 procent van de procesmeting en 12 PSI die 100 procent vertegenwoordigen, kan een ontvangen signaal van 0 procent een legitieme lezing van 0 procent meting zijn of het kan betekenen dat het systeem defect was (luchtcompressor gestopt, buis gebroken, zender defect, enz.). Met het 0 procent punt vertegenwoordigd door 0 PSI, zou er geen gemakkelijke manier zijn om het ene van het andere te onderscheiden.

als we de instrumenten (zender en indicator) echter op een schaal van 3 tot 15 PSI zouden schalen, waarbij 3 PSI 0% en 15 PSI 100% vertegenwoordigt, zou elke storing die resulteert in nul luchtdruk op de indicator een aflezing van -25% (0 PSI) genereren, wat duidelijk een foutieve waarde is. De persoon die naar de indicator kijkt, zou dan onmiddellijk kunnen zien dat er iets mis was.

niet alle signaalstandaarden zijn opgezet met live zero baselines, maar de robuustere signaalstandaarden (3-15 PSI, 4-20 mA) wel, en dat is niet voor niets.

beoordeling:

• een signaal is elke soort detecteerbare hoeveelheid die wordt gebruikt om informatie te communiceren.
• een analoog signaal is een signaal dat continu of oneindig kan worden gevarieerd om een kleine hoeveelheid verandering weer te geven.
• pneumatische, of luchtdruk, signalen waren ooit gebruikelijk in industriële instrumentatie signaalsystemen. Deze zijn grotendeels vervangen door analoge elektrische signalen zoals spanning en stroom.
• een “live zero” verwijst naar een analoge signaalschaal waarbij een niet-nul-grootheid wordt gebruikt om 0% van de werkelijke meting weer te geven, zodat elke systeemstoring die resulteert in een natuurlijke “rust” – toestand van nul-signaaldruk, – spanning of-stroom onmiddellijk kan worden herkend.