Trong mọi ngành công nghiệp, các kỹ thuật viên và kỹ sư làm việc với các thiết bị tự động hóa, đo lường và điều khiển phải đối mặt với các vấn đề đo lường hàng ngày. Việc hiểu cách cảm biến diễn giải một đặc điểm của môi trường hoặc quá trình vật lý chỉ là một phần của công việc. Nhiều điều có thể xảy ra với các tín hiệu này trên đường truyền đến thiết bị hoặc hệ thống cần đầu vào. Điều hòa tín hiệu là cách chúng tiếp nhận các tín hiệu đo được từ các cảm biến này.

• Điều kiện tín hiệu là gì?
• Các loại điều kiện tín hiệu
• Hệ thống điều hòa tín hiệu
• Giảm nhiễu cho phép đo tín hiệu
• Vòng lặp mặt đất và tiếng ồn

1. Điều kiện tín hiệu là gì?

Các kỹ thuật viên và kỹ sư đều biết rằng hầu hết các ngành công nghiệp không phải lúc nào cũng ưu tiên chất lượng tín hiệu. Vòng tiếp đất và nhiễu có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu. Một số tín hiệu cảm biến yếu, một số cần chuyển đổi, và một số không thể tạo ra nếu không có nguồn điện bên ngoài. Các kỹ thuật viên và kỹ sư xử lý các vấn đề đo lường thường sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu để thu thập, duy trì và cải thiện chất lượng của các phép đo này.

Xử lý tín hiệu là quá trình chuẩn bị tín hiệu tương tự trước khi chuyển đổi sang tín hiệu số. Quá trình xử lý tín hiệu này giúp các kỹ thuật viên và kỹ sư đo lường tín hiệu một cách chính xác và tỉ mỉ bằng các thiết bị kỹ thuật số.

Điều hòa tín hiệu bảo vệ tín hiệu mong muốn khỏi các thành phần hoặc hiệu ứng không mong muốn bằng cách sử dụng cách ly hoặc lọc tín hiệu. Các thiết bị điều hòa tín hiệu sử dụng cách ly tín hiệu để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu do vòng tiếp đất hoặc nhiễu có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Bộ lọc được thiết kế để giảm nhiễu bằng cách loại bỏ các tín hiệu trong dải tần số xác định, đồng thời cho phép các tín hiệu khác đi qua. Ví dụ, bộ lọc thông thấp được trang bị trong nhiều đồng hồ vạn năng kỹ thuật số và ampe kìm Fluke có hiệu quả trong việc chặn các thành phần nhiễu tần số cao, chẳng hạn như VDF, khỏi tín hiệu đo.

Độ chính xác của tín hiệu so với độ chính xác của tín hiệu

Độ chính xác và độ chuẩn xác thường bị nhầm lẫn, nhưng chúng không giống nhau. Kết quả chính xác cho thấy kết quả gần với giá trị mong muốn đến mức nào, trong khi kết quả chính xác cho thấy các phép đo gần nhau đến mức nào. Nếu bạn nhìn vào tâm của một mục tiêu, một kết quả có độ chính xác cao sẽ trông giống như một loạt các cú đánh gần tâm của mục tiêu. Vì tâm là nơi bạn muốn đánh, nên kết quả có độ chính xác cao có thể nằm ở bất kỳ vị trí nào trên tâm mục tiêu, miễn là các cú đánh rất gần nhau.

Dành thời gian để hiểu về điều kiện tín hiệu và thực hiện các bước cần thiết để chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết sẽ đảm bảo kết quả đo chính xác và rõ ràng hơn.

2. Các loại điều kiện tín hiệu

Điều chỉnh tín hiệu là quá trình chuyển đổi giá trị đo được từ cảm biến sang thiết bị sử dụng tín hiệu. Nhiều thiết bị đo lường và hệ thống liên quan rất khắt khe về loại tín hiệu mà chúng yêu cầu. Do đó, tín hiệu cảm biến phải được biến đổi hoặc chuyển đổi trước khi thiết bị đo có thể sử dụng. Có nhiều loại điều chỉnh tín hiệu khác nhau, tùy thuộc vào tín hiệu bắt đầu và kết thúc.

Chuyển đổi tín hiệu

Chuyển đổi tín hiệu lấy tín hiệu đầu ra từ một thiết bị và chuyển đổi nó thành tín hiệu khác cho một thiết bị khác. Các loại chuyển đổi tín hiệu bao gồm khuếch đại, suy giảm, tuyến tính hóa, bù điểm lạnh và kích thích. Một số thiết bị đo lường yêu cầu điện áp, trong khi một số khác yêu cầu dòng điện, tùy thuộc vào ứng dụng. Hầu hết các thiết bị này yêu cầu mức tín hiệu cao hơn mức mà hầu hết các cảm biến có thể tạo ra.

Cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện vẫn là một ví dụ điển hình về chuyển đổi tín hiệu, yêu cầu ba trong năm loại chuyển đổi tín hiệu: khuếch đại, tuyến tính hóa và bù mối nối lạnh.

Cặp nhiệt điện được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng việc hiểu cách thức hoạt động và cách hiệu chuẩn chúng có thể khá khó khăn. Fluke Calibration cung cấp một bộ sưu tập các ghi chú ứng dụng để giúp bạn hiểu rõ hơn về cặp nhiệt điện:

Sự khuếch đại

Cặp nhiệt điện tạo ra điện áp trong phạm vi milivôn. Tuy nhiên, một số thiết bị đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện yêu cầu điện áp cao hơn, chẳng hạn như 1-5 vôn (DC), 0-10 vôn (DC) hoặc 4-20 miliampe (mA) để hoạt động bình thường. Trong những trường hợp này, tín hiệu cặp nhiệt điện phải được khuếch đại để hoạt động.

Tuyến tính hóa

Cặp nhiệt điện được biết là phi tuyến tính. Tuy nhiên, các cảm biến khác, chẳng hạn như cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD), cảm biến đo biến dạng và cảm biến gia tốc, cũng phi tuyến tính. Một cảm biến được gọi là tuyến tính nếu sự thay đổi giá trị tín hiệu mà nó tạo ra tỷ lệ thuận với sự thay đổi giá trị của môi trường vật lý hoặc quy trình mà nó đang đo. Tuy nhiên, khi một cảm biến tạo ra một tín hiệu không liên quan tuyến tính với phép đo vật lý, cần phải có phương pháp tuyến tính hóa để hiểu được tín hiệu đó.

Bù điểm lạnh

Kết nối giữa cặp nhiệt điện và các đầu cực của thiết bị đo cũng tạo ra cái gọi là mối nối lạnh. Nếu không được xử lý, mối nối lạnh có thể gây ra sai số đo lường. Tuy nhiên, bù mối nối lạnh sử dụng một thiết bị nhạy nhiệt, chẳng hạn như nhiệt điện trở hoặc diode, để mô phỏng và điều chỉnh các giá trị thích hợp, cho phép đo mối nối chính xác và rõ ràng.

sự kích thích

Một số cảm biến không tạo ra điện áp hoặc dòng điện, do đó cần được kích thích dưới dạng điện áp hoặc dòng điện bên ngoài. Kích thích là quá trình bổ sung đầu vào điện bên ngoài để tạo ra từ trường. Một số cảm biến cần kích thích bao gồm RTD, nhiệt điện trở, cảm biến đo biến dạng và gia tốc kế.

3. Hệ thống xử lý tín hiệu

Khi sử dụng bộ điều hòa tín hiệu trong hệ thống đo lường, mỗi cảm biến cần có bộ điều hòa tín hiệu riêng, dựa trên tín hiệu mà nó tạo ra. Các mô-đun và bộ điều hòa tín hiệu có sẵn cho hầu hết các loại tín hiệu analog. Tuy nhiên, việc tìm kiếm linh kiện thay thế cho từng loại tín hiệu có thể tốn kém và khó quản lý. May mắn thay, đã có các bộ điều hòa tín hiệu đa năng. Bộ điều hòa tín hiệu đa năng, hay hệ thống điều hòa tín hiệu đa năng, hỗ trợ nhiều loại đầu vào và đầu ra, khiến chúng trở thành giải pháp đơn giản và tiết kiệm chi phí nhất.

Bộ điều hòa tín hiệu vạn năng chuyển đổi, cô lập và truyền tín hiệu từ nhiều loại cảm biến, bộ điều khiển và các thiết bị khác. Thông thường, các bộ điều hòa tín hiệu vạn năng này chấp nhận đầu vào dòng điện, điện áp, cặp nhiệt điện, RTD và điện trở. Đầu ra của bộ điều hòa tín hiệu vạn năng điển hình bao gồm dòng điện, điện áp và rơle lập trình.

Các kỹ thuật viên và kỹ sư làm việc với thiết bị tự động hóa, thiết bị đo lường và hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ điều hòa tín hiệu để cải thiện độ chính xác đo lường và hiệu suất hệ thống điều khiển bằng cách tối ưu hóa tín hiệu từ các cảm biến quy trình. Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển này cần được bảo trì và hiệu chuẩn định kỳ đúng cách. May mắn thay, các thiết bị của Fluke có thể giúp duy trì độ tin cậy, độ chính xác và tính an toàn của hệ thống đo lường và điều khiển quy trình của bạn.

4. Giảm nhiễu cho tín hiệu đo lường

Chỉ báo quy trình, thiết bị thu thập và phân tích dữ liệu, PLC (Bộ điều khiển logic lập trình), hệ thống điều khiển quy trình và các thiết bị đo lường khác đều cần tín hiệu phù hợp, và chỉ có chúng mới đáp ứng được. Nói cách khác, các tín hiệu này phải "sạch" và không nhiễu. Động cơ, bộ biến tần (VFD), thiết bị hàn và tín hiệu tức thời do thiết bị khởi động và dừng đều có thể tạo ra nhiễu, ảnh hưởng đến tín hiệu được gửi từ cảm biến đến thiết bị đo lường mong muốn.

Các biện pháp tối ưu trong hệ thống dây điện và thiết bị đo lường, bao gồm nối đất và che chắn đúng cách, có thể góp phần đáng kể vào việc giảm thiểu nhiễu không mong muốn. Sử dụng máy hiện sóng cầm tay cho phép bạn theo dõi nhiễu trong các vòng điều khiển để có được bức tranh rõ nét hơn về những gì bạn đang xử lý. Mặc dù cần lưu ý rằng các hệ thống được thiết kế và lắp đặt tốt sẽ ít gặp vấn đề về nhiễu hơn, nhưng điều này thường không đủ để đảm bảo các phép đo chính xác. Việc biết khi nào, ở đâu và cách áp dụng điều hòa tín hiệu có thể giúp các tín hiệu này hoạt động hiệu quả hơn và giúp việc đo lường dễ dàng hơn.

5. Vòng lặp tiếp đất và tiếng ồn

Vòng lặp tiếp địa và nhiễu có thể gây nhiễu trong quá trình đo lường. Tiếp địa phải có điện thế tiếp địa và được tham chiếu đến đất. Tuy nhiên, vòng lặp tiếp địa xảy ra khi một tín hiệu điều khiển có hai hoặc nhiều tiếp địa ở các điện thế khác nhau, và có một đường dẫn điện giữa hai tiếp địa.

Sự chênh lệch điện thế đất này có thể tạo ra dòng điện bổ sung không thể dự đoán được trong vòng lặp. Dòng điện này không phải là một phần của tín hiệu mong muốn và do đó làm méo tín hiệu và phép đo. Các thiết bị xử lý tín hiệu duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu bằng cách cắt đường dẫn dòng điện trong vòng lặp đất.

Thiết bị công nghiệp tạo ra nhiễu điện có thể ảnh hưởng đến tín hiệu đo lường. Nhiễu chế độ chung thường xảy ra trong mạch điện xoay chiều giữa dây trung tính và dây "nóng". Nhiễu chế độ chung thường xảy ra giữa dây trung tính và dây nối đất, nhưng cũng có thể xảy ra giữa dây nóng và dây nối đất.

Mặc dù nhiễu chế độ chung cũng có thể xảy ra trong các mạch đo DC, nhưng nhiễu chế độ chung phổ biến hơn và gây ra nhiều lỗi đo lường nhất. Trong cả hai trường hợp, việc cách ly sẽ ngăn nhiễu ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.