Semnale analogice si semnale digitale

Semnale analogice si semnale digitale

Definitia instrumentatiei

Instrumentatia este un domeniu bazat pe masurarea si controlul proceselor fizice. Aceste procese fizice includ presiunea, temperatura, rata de curgere si consistenta chimica, printre altele. Un instrument este un dispozitiv ce masoara si/sau controleaza orice tip de proces fizic. Datorita faptului ca valorile si cantitatile de tensiune, curent si rezistenta sunt usor de masurat, manipulat si de transmis pe distante mari, acestea sunt adesea folosite pentru reprezentarea acestor tipuri de variabile fizice si transmiterea lor la distanta.

Ce este un semnal

Un semnal este orice tip de cantitate fizica ce transmite o informatie. Vorbitul este cu siguranta un tip de semnal, intrucat transmite gandurile (informatii) de la o persoana la alta fizic, prin intermediul sunetului. Gesturile sunt de asemenea informatii transmise cu ajutorul luminii. Textul este un alt tip de semnal. In acest capitol, cuvantul semnal va fi folosit pentru a reprezenta o cantitate fizica.

Diferenta dintre semnalele analogice si cele digitale

Un semnal analog este un semnal cu o variatie continua, in contradictie cu cel digital, ce are o variatie in trepte. Un exemplu bun de analog vs. digital este cazul ceasurilor: cele analogice poseda ace indicatoare si practic nu au o limita de precizie in ceea ce priveste indicarea exacta a orei; cele digitale in schimb, nu pot indica intervale de timp sub capacitatea lor de afisaj, ceea ce in multe cazuri se reduce la secunde; aceasta proprietate poarta numele de rezolutie.

Ambele tipuri de semnale, atat analogice cat si digitale, isi gasesc aplicatia in sistemele electronice moderne, iar distinctia dintre aceste doua tipuri de informatie va fi reluata in capitolele viitoare. Acum insa, ne vom concentra atentia in special pe semnalele analogice, intrucat sistemele ce utilizeaza aceste tipuri de semnale au de obicei un design mai simplu.

Marea majoritate a cantitatilor fizice de masurat (temperatura, umiditate, viteza, etc.) poseda o variabilitate analogica. Daca o astfel de cantitate fizica este utilizata pe post de canal de comunicatie, reprezentarea informatiei va avea practic o rezolutie nelimitata.

Scurta istorie a instrumentatiei industriale

La inceputul instrumentatiei industriale, aerul comprimat era folosit in scopul transmiterii informatiei de la aparatele de masura si controlul acestora. Nivelul presiunii aerului se regasea in valoarea variabilei de masurat, oricare era aceea. Aerul curat si uscat la o presiune de aproximativ 1,5 bar era furnizat de un compresor de aer prin intermediul unor tuburi spre instrumentul de masura, ce modifica la randul sau valoarea presiunii in functie de cantitatea de masurat producand astfel un semnal de iesire.

De exemplu, un dispozitiv pneumatic destinat masurarii inaltimii coloanei de apa dintr-un bazin (variabila procesului) va furniza o presiune scazuta a aerului atunci cand bazinul este gol, una medie cand bazinul este partial plin si o presiune ridicata atunci cand bazinul este plin.

Indicatorul nivelului de apa este de fapt un aparat de masura a presiunii din tubul de aer. Aceasta presiune a aerului, fiind un semnal, reprezinta nivelul apei din bazin. Orice variatie a nivelului apei este reprezentata printr-o variatie a presiunii semnalului masurat. Acest semnal pneumatic are, cel putin teoretic, o rezolutie infinita, putand reprezenta orice variatie cat de mica a nivelului din bazin, si este prin urmare un semnal analog in adevaratul sens al cuvantului.

Oricat de primitiv ar parea, aceste tipuri de sisteme pneumatice au stat la baza multor sisteme industriale de masura si control peste tot in lume, si mai sunt si acum folosite datorita simplicitatii, sigurantei si fiabilitatii lor. Semnalele ce folosesc aerul comprimat sunt usor de transmis prin tuburi ieftine, usor de masurat si usor de manipulat cu ajutorul dispozitivelor mecanice. Pe langa aceasta, acest tip de semnal poate fi folosit nu doar pentru masurarea proceselor fizice, dar si pentru controlul lor.

Cu ajutorul unui piston suficient de mare, un semnal slab poate fi folosit pentru generarea unei forte mecanice suficient de mari pentru actionarea unei valve sau controlul unui dispozitiv. Au fost create chiar si sisteme automate complete de control folosind presiunea aerului ca si canal de comunicatie. Sunt simple si relativ usor de inteles. Totusi, limitele practice pentru precizia semnalului comprimat nu sunt suficiente in unele cazuri, mai ales atunci cand aerul comprimat nu este curat si uscat, sau atunci cand exista posibilitatea aparitiei sparturilor in tevi.

Odata cu avansul amplificatoarelor din domeniul electronicii semiconductorilor, folosirea marimilor de curent si tensiune in instrumentatie a devenit practica. In locul utilizarii presiunii aerului pentru masurarea gradului de umplere al unui bazin cu apa, s-a inceput folosire semnalele electrice pentru furnizarea aceleiasi informatii prin intermediul firelor conductoare (in loc de tuburi) fara a mai fi necesara utilizarea unui echipament scump, precum compresoarele de aer.

Desi semnalele electronice analogice incep sa fie inlocuite de cele digitale, este bine sa avem o buna intelegere a principiilor de baza din spatele acestui mod de transmitere a informatiei.

Conceptul de "zero real"

Un concept important aplicat in instrumentatia semnalelor analogice este cel de "zero real", un principiu standard de utilizare a semnalelor astfel incat valoarea zero (bazin de apa gol) sa nu fie confundata cu defectul sistemului in cauza. De exemplu, in cazul sistemului pneumatic de mai sus, daca scala valorilor pentru presiune este intre 1 si 2 bar (1, 1,1, 1,22), cu 1 bar (presiunea aerului din mediul inconjurator) reprezentand 0% din valoarea marimii de masurat si 2 bar reprezentand 100% din aceeasi valoare, daca indicatorul va afisa 1 bar, acest lucru ar putea sa insemne ca bazinul de apa este intr-adevar gol, sau ar putea la fel de bine indica faptul ca sistemul nu functioneaza (compresorul de aer este oprit, teava este sparta, traductorul este stricat, etc.).

In schimb, daca am calibra (seta) instrumentele (traductorul si indicatorul) pentru scara de 1,1 - 2 bar (1,1, 1,2, 1,32), astfel incat 1,1 bar sa reprezinte 0% iar 2 bar 100%, orice tip de defect sau ne-functionare a sistemului va rezulta intr-o presiune de 1 bar, si orice tip de masuratori efectuate se vor realiza doar pentru intervalul 1,1 - 2 bar.