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Capire i segnali di uscita della corrente: RMS, picco e picco reale
Nelle applicazioni di monitoraggio dei processi in cui è necessario un segnale continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, per la registrazione e l'analisi dei trend da parte di un sistema PLC, DSC o SCADA, un trasmettitore di vibrazioni con un segnale di uscita costante da 4-20 mA è l'ideale. Ma cosa rappresenta esattamente questo segnale 4-20mA? Poiché la base della maggior parte dei trasmettitori di vibrazioni è costituita dallo stesso elemento di rilevamento o da un elemento simile a quello presente in un tipico accelerometro, il trasmettitore converte internamente l'uscita da un segnale di tensione grezza CA a un segnale di corrente. Nel corso di questa conversione, l'uscita in corrente può essere scalata in termini di uno dei tre valori seguenti:
- RMS (quadrato medio)
- Picco
- Picco vero
Come accennato in precedenza, il cuore della maggior parte dei trasmettitori di vibrazioni è costituito dallo stesso elemento di rilevamento presente nel cuore di un accelerometro. Questo elemento misura la vibrazione e successivamente emette una tensione dinamica CA che si aggiunge alla tensione di polarizzazione CC di 8-12 V CC. Il segnale di uscita viene quindi sottoposto a una serie di modifiche elettroniche prima di essere emesso come segnale di corrente 4-20 mA.
- La tensione di polarizzazione CC è disaccoppiata dalla tensione del segnale CA.
- Il campo di misura del segnale di tensione CA può rimanere in accelerazione o essere modificato in velocità tramite integrazione o spostamento tramite doppia integrazione.
- Il segnale CA viene filtrato dai dati a bassa e alta frequenza in base ai setpoint del filtro.
- Il segnale di tensione CA viene convertito in un segnale di tensione CC.
- Il segnale di tensione CC può essere scalato se sono disponibili valori diversi del campo di misura minimo e massimo.
- Il segnale di tensione CC viene convertito in un segnale di corrente 4-20 mA.
Il processo di condizionamento del segnale sopra descritto è illustrato nella Figura 1.
Nell'ambito del processo di condizionamento del segnale sopra descritto, la conversione del segnale di tensione CA in un segnale di tensione CC è il fattore principale che determina la scala del segnale di corrente risultante.
Per iniziare questo approfondimento sul processo di conversione da CA a CC, iniziamo con un'analisi dei segnali di tensione in corrente alternata (CA) e in corrente continua (CC). Si veda la Figura 2.
- La corrente alternata (CA) è una corrente elettrica in cui il flusso di carica elettrica inverte periodicamente la direzione.
- La corrente continua (DC) è una corrente elettrica in cui il flusso di carica elettrica è in una sola direzione.
La conversione di un segnale CA in un segnale CC non è semplice come la media dei singoli valori del segnale CA. Per le onde sinusoidali con semicicli positivi e negativi uguali, questa media darebbe come risultato una misura non utile pari a zero. Per ottenere un risultato utile, invece, si calcola una media ponderata, detta tensione quadratica media (RMS) del segnale CA. Il valore risultante è l'uscita di tensione CC equivalente che produrrebbe la stessa quantità di potenza dissipata (cioè calore) in un carico resistivo come il corrispondente segnale di tensione CA.
Per calcolare la tensione RMS di qualsiasi segnale CA:
- Dividere un ciclo (cioè un semiciclo positivo e uno negativo) della forma d'onda CA in tante fette, ciascuna abbastanza piccola da rappresentare una tensione costante durante il periodo di tempo. Vedere la Figura 3.
- Elevare al quadrato ciascuna di queste singole tensioni costanti. La quadratura di ogni singola tensione converte tutte le tensioni, indipendentemente dal fatto che siano originariamente positive o negative, in valori positivi.
- Prendere la media di tutti questi quadrati.
- Prendete la radice quadrata della media.
Per un'onda sinusoidale semplice, il processo di calcolo è molto più semplice di quello descritto sopra, poiché la forma d'onda ha uguali semicicli positivi e negativi. Di conseguenza, i valori di tensione RMS e di tensione di picco nei semicicli negativi e positivi hanno sempre la stessa ampiezza. I dati di tensione da picco a picco presentano costantemente contributi uguali dai semicicli positivi e negativi della forma d'onda. Per un'illustrazione della relazione tra tensione RMS, tensione di picco e tensione da picco a picco, vedere la Figura 4.
La tensione RMS (VRMS) può essere calcolata moltiplicando la tensione di picco (VP) per la radice quadrata di due. Il calcolo è espresso in una formula descritta di seguito.
Dal valore della tensione RMS, è possibile calcolare la tensione di picco (VP) e la tensione da picco a picco (VP-P) in base alle equazioni seguenti. Come per la precedente equazione della tensione RMS, le equazioni seguenti possono essere utilizzate solo se la forma d'onda è sinusoidale.
Come risultato della conversione da CA a CC utilizzando il metodo del quadrato medio (RMS), tutti i dati di frequenza sono stati persi e i picchi del segnale CA sono stati completamente smussati, indipendentemente dal fatto che si stia esaminando il segnale equivalente di tensione (e quindi di corrente) CC RMS o di picco. Ciò rende il segnale 4-20 mA risultante ideale per il monitoraggio a lungo termine del processo, ma non per un'analisi approfondita. Vedere le Figure 5 e 6 per le illustrazioni.
Per le applicazioni in cui è necessario monitorare i dati di picco vero con un segnale 4-20 mA, il segnale di tensione CA viene convertito in un segnale di tensione CC mediante il processo di rettifica anziché il processo RMS. Il processo di rettifica converte tutti i semicicli negativi della forma d'onda in semicicli positivi di ampiezza equivalente. La funzione di cattura dei picchi esamina quindi tutti i semicicli positivi durante un determinato periodo di tempo e cattura l'ampiezza più elevata come vero valore di picco. Il processo di condizionamento del segnale sopra descritto è illustrato nella Figura 7.
Un trasmettitore 4-20 mA converte un'uscita di tensione di tipo accelerometrico in un'uscita di corrente mediante un processo elettronico in più parti. Durante la parte di conversione della tensione da CA a CC del processo, tutti i dati di frequenza vengono eliminati dal segnale. Di conseguenza, l'uscita in corrente non può essere utilizzata per un'analisi approfondita delle vibrazioni, ma è ideale per le applicazioni di monitoraggio dei processi in cui è necessario un segnale continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, per la registrazione e l'andamento da parte di un sistema PLC, DSC o SCADA.