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Comprendre les signaux de sortie de courant - RMS, Peak et True Peak
Dans les applications de surveillance de processus où un signal continu 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 est nécessaire pour l'enregistrement et l'établissement de tendances par un PLC, un DSC ou un système SCADA, un transmetteur de vibrations avec un signal de sortie constant de 4-20mA est idéal. Mais que représente exactement ce signal 4-20mA ? Comme la base de la plupart des transmetteurs de vibrations est un élément de détection identique ou similaire à celui que l'on trouve dans un accéléromètre typique, le transmetteur convertit en interne la sortie d'un signal de tension brute CA en un signal de courant. Au cours de cette conversion, le courant de sortie peut être mis à l'échelle selon l'une des trois valeurs suivantes :
- RMS (moyenne quadratique)
- Crête
- Crête vraie
Comme indiqué ci-dessus, le cœur de la plupart des transmetteurs de vibrations est le même élément de détection que celui qui se trouve au cœur d'un accéléromètre. Cet élément mesure la vibration et émet ensuite une tension dynamique alternative en plus de la tension de polarisation continue de 8-12 VDC. Ce signal de sortie passe ensuite par une série d'altérations électroniques avant d'être finalement délivré sous la forme d'un signal de courant 4-20mA.
- La tension de polarisation CC est découplée de la tension du signal CA.
- La plage de mesure du signal de tension CA peut rester en accélération ou peut être changée en vitesse par intégration ou en déplacement par double intégration.
- Les données de basse et haute fréquence du signal CA sont filtrées en fonction des points de consigne du filtre.
- Le signal de tension CA est converti en un signal de tension CC.
- Le signal de tension continue peut être mis à l'échelle si différentes valeurs de plage de mesure minimale et maximale sont disponibles.
- Le signal de tension continue est converti en un signal de courant 4-20 mA.
Le processus de conditionnement du signal décrit ci-dessus est illustré ci-dessous dans la figure 1.
Dans le processus de conditionnement du signal décrit ci-dessus, la conversion du signal de tension CA en un signal de tension CC est le principal déterminant de la mise à l'échelle du signal de courant résultant.
Pour commencer cet examen approfondi de ce processus de conversion de courant alternatif en courant continu, commençons par un examen des signaux de tension en courant alternatif (CA) et en courant continu (CC). Voir la figure 2.
- Le courant alternatif (CA) est un courant électrique dans lequel le flux de charge électrique s'inverse périodiquement.
- Le courant continu (CC) est un courant électrique dans lequel le flux de charge électrique ne va que dans un sens.
La conversion d'un signal CA en un signal CC n'est pas aussi simple que le calcul de la moyenne des valeurs individuelles du signal CA. Pour les ondes sinusoïdales avec des demi-cycles positifs et négatifs égaux, cette moyenne donnerait une mesure non valable de zéro. Pour obtenir un résultat utile, on calcule plutôt une moyenne pondérée appelée tension moyenne quadratique (RMS) du signal CA. La valeur résultante est la sortie de tension continue équivalente qui produirait la même quantité de dissipation de puissance (c'est-à-dire de chaleur) dans une charge résistive que le signal de tension alternative correspondant.
Pour calculer la tension RMS d'un signal CA :
- Divisez un cycle (c'est-à-dire un demi-cycle positif et un demi-cycle négatif) de la forme d'onde CA en plusieurs tranches, chacune suffisamment petite pour représenter une tension constante pendant la période de temps. Voir la figure 3.
- Élevez au carré chacune de ces tensions constantes individuelles. Cette élévation au carré de chaque tension individuelle convertit toutes les tensions, qu'elles soient positives ou négatives à l'origine, en valeurs positives.
- Prenez la moyenne de tous ces carrés.
- Prenez la racine carrée de la moyenne.
Pour une simple onde sinusoïdale, le processus de calcul est beaucoup plus simple que celui décrit ci-dessus car la forme d'onde a des demi-cycles positifs et négatifs égaux. Par conséquent, les valeurs de tension efficace et de tension de crête dans les demi-cycles négatifs et positifs ont toujours la même amplitude. Les données de tension de crête à crête ont toujours des contributions égales des demi-cycles positifs et négatifs de la forme d'onde. Pour une illustration de la relation entre la tension efficace, la tension de crête et la tension crête à crête, voir la figure 4.
La tension efficace (VRMS) peut être calculée en multipliant la tension de crête (VP) par la racine carrée de deux. Le calcul est exprimé sous forme de formule ci-dessous.
À partir de la valeur de la tension efficace, la tension de crête (VP) et la tension crête à crête (VP-P) peuvent être calculées sur la base des équations ci-dessous. Comme pour l'équation de tension efficace ci-dessus, les équations ci-dessous ne peuvent être utilisées que si la forme d'onde est une onde sinusoïdale.
En raison de la conversion du courant alternatif en courant continu à l'aide de la méthode de la moyenne quadratique (RMS), toutes les données de fréquence ont été perdues et les pics du signal alternatif ont été complètement lissés, que l'on examine le signal équivalent de tension continue RMS ou de pic (et par la suite de courant). Le signal 4-20 mA résultant est donc idéal pour la surveillance à long terme du processus, mais pas pour une analyse approfondie. Voir les figures 5 et 6 pour des illustrations.
Pour les applications où des données de crête réelles doivent être surveillées avec un signal 4-20 mA, le signal de tension CA est converti en un signal de tension CC via le processus de rectification plutôt que le processus RMS. Le processus de rectification convertit tous les demi-cycles négatifs de la forme d'onde en demi-cycles positifs d'amplitude équivalente. La fonction de capture de crête examine ensuite tous les demi-cycles positifs pendant une période donnée et capture l'amplitude la plus élevée en tant que véritable valeur de crête.Le processus de conditionnement du signal décrit ci-dessus est illustré ci-dessous à la figure 7.
Un transmetteur 4-20 mA convertit une tension de sortie de type accéléromètre en une sortie de courant par l'intermédiaire d'un processus électronique en plusieurs parties. Au cours de la partie du processus de conversion de la tension alternative en tension continue, toutes les données de fréquence sont éliminées du signal. Par conséquent, la sortie de courant ne peut pas être utilisée pour une analyse approfondie des vibrations, mais elle est idéale pour les applications de surveillance de processus où un signal continu 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 est nécessaire pour l'enregistrement et l'établissement de tendances par un PLC, un DSC ou un système SCADA.