Analoge en digitale signalen

Instrumentatie is een studie- en werkgebied waarin het meten en regelen van fysieke processen centraal staat. Deze fysieke processen omvatten druk, temperatuur, stroomsnelheid en chemische consistentie. Een instrument is een apparaat dat elk fysiek proces meet en/of controleert. Vanwege het feit dat elektrische hoeveelheden spanning en stroom gemakkelijk te meten, te manipuleren en over lange afstanden te verzenden, worden ze veel gebruikt om dergelijke fysieke variabelen weer te geven en de informatie naar afgelegen locaties te verzenden.

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

Deze tekst is een ander soort signaal, door uw Engels getrainde geest geïnterpreteerd als informatie over elektrische circuits. In dit hoofdstuk wordt het woord signaal zal voornamelijk worden gebruikt met betrekking tot een elektrische hoeveelheid spanning of stroom die wordt gebruikt om weer te geven of betekenen een andere fysieke hoeveelheid.

Analoog versus digitaal

Een analoog signaal is een soort signaal dat continu variabel is, in tegenstelling tot een beperkt aantal stappen langs het bereik (genaamd digitaal ). Een bekend voorbeeld van analoog versus digitaal is dat van klokken:analoog is het type met wijzers die langzaam rond een cirkelvormige schaal draaien, en digitaal is het type met decimale getallenweergave of een "tweedehands" die eerder schokt dan soepel draait.

De analoge klok heeft geen fysieke limiet aan hoe fijn het de tijd kan weergeven, omdat de "wijzers" op een soepele, pauzeloze manier bewegen. De digitale klok daarentegen kan geen enkele tijdseenheid weergeven die kleiner is dan wat de weergave toelaat. Het type klok met een "secondewijzer" die met tussenpozen van 1 seconde schokt, is een digitaal apparaat met een minimale resolutie van een seconde.

Zowel analoge als digitale signalen vinden toepassing in moderne elektronica, en de verschillen tussen deze twee basisvormen van informatie komen later in dit boek veel uitgebreider aan bod. Voor nu zal ik de reikwijdte van deze discussie beperken tot analoge signalen, omdat de systemen die ze gebruiken doorgaans eenvoudiger zijn ontworpen.

Zie deze video-tutorial over analoge en digitale elektronica voor het meest elementaire overzicht van dit onderwerp.

Met veel fysieke grootheden, vooral elektrische, is analoge variabiliteit gemakkelijk te verkrijgen. Als zo'n fysieke hoeveelheid als signaalmedium wordt gebruikt, kan het variaties van informatie weergeven met een bijna onbeperkte resolutie.

Industrieel instrumentatiesysteem

In de begindagen van de industriële instrumentatie werd perslucht gebruikt als signaalmedium om informatie van meetinstrumenten over te brengen naar op afstand geplaatste indicatie- en besturingsapparatuur. De hoeveelheid luchtdruk kwam overeen met de grootte van de variabele die werd gemeten. Schone, droge lucht met een snelheid van ongeveer 20 pond per vierkante inch (PSI) werd door een luchtcompressor via buizen naar het meetinstrument toegevoerd en werd vervolgens door dat instrument geregeld volgens de hoeveelheid die werd gemeten om een ​​bijbehorend uitgangssignaal te produceren.

Een pneumatisch (luchtsignaal) niveau "zender" -apparaat dat is opgezet om de waterhoogte (de "procesvariabele") in een opslagtank te meten, zou bijvoorbeeld een lage luchtdruk produceren wanneer de tank leeg was, een gemiddelde druk wanneer de tank gedeeltelijk vol was, en een hoge druk wanneer de tank helemaal vol was.

De "waterniveau-indicator" (LI) is niets meer dan een manometer die de luchtdruk in de pneumatische signaalleiding meet. Deze luchtdruk is een signaal , is op zijn beurt een weergave van het waterniveau in de tank. Elke variatie van het niveau in de tank kan worden weergegeven door een geschikte variatie in de druk van het pneumatische signaal.

Afgezien van bepaalde praktische beperkingen opgelegd door de mechanica van luchtdrukapparaten, is dit pneumatische signaal oneindig variabel, in staat om elke mate van verandering in het waterniveau weer te geven en is daarom analoog in de ware zin van het woord.

Hoe grof het ook mag lijken, dit soort pneumatisch signaleringssysteem vormde de ruggengraat van veel industriële meet- en regelsystemen over de hele wereld en wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt vanwege zijn eenvoud, veiligheid en betrouwbaarheid. Luchtdruksignalen worden gemakkelijk overgedragen via goedkope buizen, gemakkelijk te meten (met mechanische manometers) en gemakkelijk te manipuleren door mechanische apparaten die balgen, membranen, kleppen en andere pneumatische apparaten gebruiken. Luchtdruksignalen zijn niet alleen nuttig voor metingen fysieke processen, maar voor controle zij ook.

Met een zuiger of diafragma die groot genoeg is, kan een klein luchtdruksignaal worden gebruikt om een ​​grote mechanische kracht te genereren, die kan worden gebruikt om een ​​klep of ander regelapparaat te bewegen. Er zijn complete automatische regelsystemen gemaakt met 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 wanneer de mogelijkheid van slanglekkage bestaat.

Met de komst van solid-state elektronische versterkers en andere technologische vooruitgang, werden elektrische hoeveelheden spanning en stroom praktisch voor gebruik als analoge instrumentsignaleringsmedia. In plaats van pneumatische druksignalen te gebruiken om informatie over de volheid van een wateropslagtank door te geven, kunnen elektrische signalen diezelfde informatie doorgeven via dunne draden (in plaats van buizen) en hebben ze geen ondersteuning nodig van zulke dure apparatuur zoals luchtcompressoren om te werken:

Analoge elektronische signalen zijn nog steeds de belangrijkste soorten signalen die tegenwoordig in de instrumentatiewereld worden gebruikt (januari 2001), maar het maakt in veel toepassingen plaats voor digitale communicatiewijzen (daarover later meer). Ondanks veranderingen in technologie is het altijd goed om een ​​grondig begrip te hebben van fundamentele principes, zodat de volgende informatie nooit echt verouderd zal raken.

Live Zero

Een belangrijk concept dat in veel analoge instrumentatiesignaalsystemen wordt toegepast, is dat van "live zero", een standaardmanier om een ​​signaal te schalen, zodat 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 was ontworpen om 0 tot 12 PSI te zijn, waarbij 0 PSI 0 procent van de procesmeting vertegenwoordigt en 12 PSI 100 procent vertegenwoordigt, zou een ontvangen signaal van 0 procent kunnen een legitieme aflezing van 0 procent meting zijn of het zou kunnen betekenen dat het systeem niet goed werkte (luchtcompressor gestopt, slang kapot, zender defect, enz.). Met het 0 procentpunt vertegenwoordigd door 0 PSI, zou er geen gemakkelijke manier zijn om de een van de ander te onderscheiden.

Als we echter de instrumenten (zender en indicator) zouden schalen om een ​​schaal van 3 tot 15 PSI te gebruiken, waarbij 3 PSI 0 procent vertegenwoordigt en 15 PSI 100 procent, dan zou elke vorm van storing resulterend in nul luchtdruk bij de indicator zou een waarde van -25 procent (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) hebben dat wel, en niet zonder reden.

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 elke kleine hoeveelheid verandering weer te geven.
• Pneumatisch , of luchtdruk, signalen waren ooit gebruikelijk in signaalsystemen voor industriële instrumentatie. Deze zijn grotendeels vervangen door analoge elektrische signalen zoals spanning en stroom.
• Een live nul verwijst naar een analoge signaalschaal die een hoeveelheid niet-nul gebruikt om 0 procent van de werkelijke meting weer te geven, zodat een systeemstoring die resulteert in een natuurlijke "rust"-toestand van nulsignaaldruk, spanning of stroom, onmiddellijk kan worden herkend.