Condizionatori di segnale: consentono di fornire misurazioni precise

Il condizionamento di segnale è un processo di acquisizione dati e lo strumento per eseguire questo processo è un cosiddetto condizionatore di segnale. Questo strumento converte un tipo di segnale elettrico o meccanico (segnale d’ingresso) in un altro (segnale di uscita). Lo scopo di questo processo è quello di amplificare e convertire il segnale in una forma compatibile e facile da leggere per l’acquisizione dati e il controllo della macchina.

Un condizionatore di segnale consente di fornire misurazioni precise, indispensabili per acquisizione dati e controllo macchina altrettanto precisi. Questi strumenti sono in grado di svolgere anche altre funzioni importanti: in questo blog potrete scoprire quali sono le nuove tendenze in questo campo.

Funzioni di un condizionatore di segnale

Conversione del segnale

La funzione principale di un condizionatore di segnale è quella di rilevare il segnale e convertire in un livello più alto di segnale elettrico. La funzione di conversione del segnale viene spesso usata nelle applicazioni industriali che impiegano un’ampia gamma di sensori diversi per eseguire le misurazioni. Dato il numero elevato di sensori diversi utilizzati, può essere necessario dover convertire i segnali da essi generati per poterli utilizzare con gli strumenti a cui sono collegati. Qualsiasi segnale proveniente da un sensore può essere convertito in un segnale di processo standard.

Linearizzazione

Alcuni condizionatori di segnale possono eseguire la linearizzazione quando i segnali prodotti da un sensore non hanno un rapporto di linea diretta con la misurazione fisica. Questo processo consiste nell’interpretazione del segnale proveniente dal software ed è molto comune, ad esempio, per i segnali della termocoppia. Questo metodo viene utilizzato per raggiungere una maggiore precisione, dal momento che nessun sensore è completamente lineare. I parametri di linearizzazione vengono valutati in fase di taratura del sensore e compaiono nel protocollo di taratura del sensore stesso.

Amplificazione

Il passo successivo è costituito dall’amplificazione del segnale e dall’aumento del segnale per l’elaborazione o la digitalizzazione. L’amplificazione del segnale può avvenire in due modi: aumentando la risoluzione del segnale in ingresso o aumentando il rapporto segnale-rumore.

Nell’ambito del condizionamento del segnale si utilizzano molti amplificatori diversi per scopi diversi, ottimizzati per l’uso con segnali di corrente continua e caratterizzati da un’impedenza in ingresso elevata, da un CMRR (rapporto di reiezione di modo comune) elevato e da un guadagno elevato. Un altro esempio di condizionatore di segnale utilizzato per l’amplificazione potrebbe essere un amplificatore di isolamento, progettato per isolare livelli di corrente continua elevati dal dispositivo e lasciare passare invece segnali minimi di corrente alternata o differenziali.

Filtraggio

Un’altra funzione importante di un condizionatore di segnale è il filtraggio, che consiste nel filtrare lo spettro di frequenza del segnale per includere solamente i dati validi e bloccare eventuali rumori. I filtri possono essere ottenuti sia da componenti attivi o passivi che da un algoritmo digitale. Un filtro passivo usa solo condensatori, resistori e induttori con un guadagno massimo di uno. Un filtro attivo usa componenti passivi in aggiunta ai componenti attivi, quali amplificatori operativi e transistor. I condizionatori di segnale più moderni usano filtri digitali perché sono facili da regolare e non è necessario alcun hardware. Un filtro digitale è un filtro matematico usato per manipolare un segnale, bloccando o oltrepassando un determinato intervallo di frequenza. Usano componenti logici come ASIC e FPGA o programmi sequenziali con un processore di segnale.

Valutazione e funzioni Smart

Per garantire maggiori vantaggi a utente e processo, i condizionatori di segnale moderni sono dotati di funzioni extra per la valutazione del segnale e per la pre-elaborazione dei dati di misura. Queste funzioni consentono di monitorare e valutare le allerte e gli allarmi direttamente e in breve tempo tramite un’uscita di commutazione elettrica. Sono inoltre previste ulteriori funzioni Smart, come ad esempio un canale di calcolo interno, in grado di gestire funzioni matematiche quali l’aggiunta di segnali di sensori e operatori tecnologici come un controller PID. Queste funzioni consentono di ottenere un sistema a reazione rapida e di ridurre il carico del dispositivo di controllo della macchina.  

Interfacce

I convertitori di segnale devono trasmettere i segnali del sensore al dispositivo di controllo della macchina tramite interfacce e protocolli standard. Queste interfacce possono essere analogiche o digitali. Esempi di interfacce analogiche comuni sono i segnali di tensione (+/-10V) o di corrente (+/-20mA) che sono facili da gestire, ma richiedono un cavo indipendente per ogni segnale. Le moderne interfacce digitali, invece, sono realizzate come interfacce bus basate su Ethernet (Profinet, Ethercat, Ethernet/IP) e consentono il collegamento di molti componenti tramite un unico cavo. Ciò permette di ridurre il numero di cavi e di trasmettere informazioni aggiuntive, quali informazioni sulla diagnostica dei componenti, che sono molto importanti per ridurre i tempi di inattività e velocizzare gli interventi di manutenzione.

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