Аналогові датчики: застосування, способи підключення до контролера

У процесі автоматизації технологічних процесів для управління механізмами і агрегатами доводиться стикатися з вимірами різних фізичних величин. Це може бути температура, тиск і витрата рідини або газу, частота обертання, сила світла інформація про стан частин механізмів і багато іншого. Ця інформація виходить за допомогою датчиків. Ось, спочатку про становище частин механізмів.

дискретні датчики

Найпростіший датчик - звичайний механічний контакт: двері відкрили - контакт розімкнувся, закрили - замкнулося. Такий нехитрий датчик, так само як і наведений алгоритм роботи, часто застосовується в охоронних сигнализациях . Для механізму з поступальним рухом, який має два положення, наприклад водопровідна засувка, знадобиться вже два контакти: замкнулося один контакт - засувка закрита, замкнулося інший - закрита.

Відстань між половинами пресформи досить велике. Тому спочатку пресформа рухається швидко, а на деякій відстані до змикання половин, спрацьовує кінцевик, швидкість руху значно зменшується і пресформа плавно закривається.

Такий алгоритм дозволяє уникнути удару при змиканні пресформи, інакше її просто можна розбити на дрібні шматочки. Така ж зміна швидкості відбувається і при відкриванні пресформи. Тут уже двома контактними датчиками не обійтися.

Таким чином, датчики на основі контакту є дискретними або бінарними, мають два положення, замкнутий - розімкнути або 1 і 0. Іншими словами можна сказати, що подія відбулася чи ні. У наведеному вище прикладі, контактами «уловлюються» кілька точок: початок руху, точка зниження швидкості, кінець руху.

В геометрії точка не має ніяких розмірів, просто точка і все. Вона може або бути (на аркуші паперу, в траєкторії руху, як в нашому випадку) або її просто немає. Тому для виявлення точок застосовуються саме дискретні датчики. Може бути порівняння з точкою тут не дуже доречно, адже в практичних цілях користуються величиною точності спрацьовування дискретного датчика, а точність ця набагато більше геометричній точки.

Але сам по собі механічний контакт річ ненадійна. Тому всюди, де це можливо, механічні контакти замінюються безконтактними датчиками. Найпростіший варіант це геркони: магніт наблизився, контакт замкнувся. Точність спрацьовування геркона залишає бажати кращого, застосовувати такі датчики якраз тільки для визначення положення дверей.

Більш складним і точним варіантом слід вважати різні безконтактні датчики. Якщо металевий прапорець увійшов в проріз, то датчик спрацював. Як приклад таких датчиків можна привести датчики БВК (Безконтактний Вимикач Кінцевий) різних серій. Точність спрацьовування (диференціал ходу) таких датчиків 3 міліметри.

Малюнок 1. Датчик серії БВК

Напруга живлення датчиків БВК 24В, струм навантаження 200мА, що цілком достатньо для підключення проміжних реле для подальшого узгодження зі схемою управління. Саме так використовуються датчики БВК в різному устаткуванні.

Крім датчиків БВК застосовуються також датчики типів БТП, КВП, ПІП, КВД, ПИЩ. Кожна серія має кілька типів датчиків, які охоплюють цифрами, наприклад, БТП-101, БТП-102, БТП-103, БТП-211.

Всі згадані датчики є безконтактними дискретними, їх основне призначення визначення положення частин механізмів і агрегатів. Природно, що цих датчиків набагато більше, про всі в одній статті не написати. Ще більш поширені і до сих пір знаходять широке застосування різні контактні датчики.

Застосування аналогових датчиків

Крім дискретних датчиків в системах автоматизації широке застосування знаходять аналогові датчики. Їх призначення - отримання інформації про різні фізичних величинах, причому не, просто так взагалі, а в реальному масштабі часу. Точніше перетворення фізичної величини (тиск, температура, освітленість, витрата, напруга, струм) в електричний сигнал придатний для передачі по лініях зв'язку в контролер і подальша його обробка.

Аналогові датчики розташовуються, як правило, досить далеко від контролера, чому часто їх називають польовими пристроями. Цей термін часто застосовується в технічній літературі.

Аналоговий датчик, як правило, складається з декількох частин. Найголовніша частина це чутливий елемент - сенсор. Його призначення перевести вимірювану величину в електричний сигнал. Але сигнал, одержуваний від сенсора, як правило, невеликий. Для отримання сигналу, придатного для посилення, сенсор найчастіше включається в бруківку схему - місток Уитстона.

Малюнок 2. Місток Уитстона

Початкове призначення мостової схеми - точне вимірювання опору. До діагоналі моста AD підключається джерело постійного струму. В іншу діагональ підключений чутливий гальванометр з середньою точкою, з нулем в середині шкали. Для вимірювання опору резистора Rx обертанням підлаштування резистора R2 слід домогтися рівноваги моста, встановити стрілку гальванометра на нульове значення.

Відхилення стрілки приладу в ту або іншу сторону дозволяє визначити напрямок обертання резистора R2. Величина вимірюваного опору визначається за шкалою, суміщеної з ручкою резистора R2. Умовою рівноваги моста є рівність співвідношень R1 / R2 і Rx / R3. У цьому випадку між точками BC виходить нульова різниця потенціалів, і струм через гальванометр V не протікає.

Опір резисторів R1 і R3 підібрано дуже точно, їх розкид повинен бути мінімальний. Тільки в цьому випадку навіть невеликий розбаланс моста викликає досить помітна зміна напруги діагоналі BC. Саме це властивість мосту використовується для підключення чутливих елементів (сенсорів) різних аналогових датчиків. Ну, а далі все просто, справа техніки.

Для використання сигналу, отриманого з сенсора, потрібно його подальша обробка, - посилення і перетворення в вихідний сигнал, придатний для передачі і обробки схемою управління - контролером. Найчастіше вихідним сигналом аналогових датчиків є струм (аналогова струмова петля), рідше напруга.

Чому саме ток? Справа в тому, що вихідні каскади аналогових датчиків побудовані на базі джерел струму. Це дозволяє позбутися від впливу на вихідний сигнал опору з'єднувальних ліній, користуватися сполучними лініями великої довжини.

Подальше перетворення досить просто. Токовий сигнал перетвориться в напругу, для чого достатньо ток пропустити через резистор відомого опору. Падіння напруги на вимірювальному резисторі виходить за законом Ома U = I * R.

Наприклад, для струму 10 мА на резисторі опором 100Ом вийде напруга 10 * 100 = 1000мВ, аж прямо цілий 1 вольт! При цьому вихідний струм датчика не залежить від опору з'єднувальних проводів. У розумних, звичайно, межах.

Підключення аналогових датчиків

Отримане на вимірювальному резисторі напруга легко перетворити в цифровий вигляд, придатний для введення в контролер. Перетворення виконується за допомогою аналого-цифрових перетворювачів АЦП.

Цифрові дані в контролер передаються послідовним або паралельним кодом. Все залежить від конкретної схеми включення. Спрощена схема підключення аналогового датчика показана на малюнку 3.

Малюнок 3. Підключення аналогового датчика (щоб збільшити натисніть на картинку)

До контролера підключаються виконавчі механізми, або сам контролер підключається до комп'ютера, що входить в систему автоматизації.

Природно, що аналогові датчики мають закінчену конструкцію, одним з елементів якої є корпус з приєднувальними елементами. Як приклад на малюнку 4 показаний зовнішній вигляд датчика надлишкового тиску типу Зонд-10.

Малюнок 4. Датчик надлишкового тиску Зонд-10

У нижній частині датчика можна бачити приєднувальну різьблення для підключення до трубопроводу, а праворуч під чорною кришкою знаходиться роз'єм для підключення лінії зв'язку з контролером.

Герметизація нарізного сполучення проводиться за допомогою шайби з обпаленого міді (входить в комплект поставки датчика), а аж ніяк не підмоткою з фум-стрічки або льону. Робиться це для того, щоб при установці датчика не деформовані розташований всередині сенсорний елемент.

Вихідні сигнали аналогових датчиків

Згідно зі стандартами існує три діапазону струмових сигналів: 0 ... 5мА, 0 ... 20мА і 4 ... 20мА. У чому їхня відмінність, і які особливості?

Найчастіше залежність вихідного струму прямо пропорційна вимірюваній величині, наприклад, чим вище тиск в трубі, тим більше струм на виході датчика. Хоча іноді застосовується інверсне включення: більшою величиною вихідного струму відповідає мінімальне значення вимірюваної величини на виході датчика. Все залежить від типу застосовуваного контролера. Деякі датчики мають навіть перемикання з прямого на інверсний сигнал.

Вихідний сигнал діапазону 0 ... 5мА дуже малий, і тому схильний до дії перешкод. Якщо сигнал такого датчика коливається при незмінному значенні вимірюваного параметра, тобто рекомендації паралельно виходу датчика встановити конденсатор ємністю 0.1 ... 1мкФ. Більш стійким є струмовий сигнал в діапазоні 0 ... 20мА.

Але обидва цих діапазону негарні тим, що нуль на початку шкали не дозволяє однозначно визначити, що ж сталося. Або вимірюваний сигнал насправді прийняв нульовий рівень, що в принципі можливо, або просто обірвалася лінія зв'язку? Тому від використання цих діапазонів намагаються, по можливості, відмовитися.

Більш надійним вважається сигнал аналогових датчиків з вихідним струмом в діапазоні 4 ... 20мА. Перешкодозахищеність його досить висока, а нижня межа, навіть якщо вимірюваний сигнал має нульовий рівень, буде 4мА, що дозволяє говорити про те, що лінія зв'язку з цим не обірвана.

Ще однією гарною особливістю діапазону 4 ... 20мА є те, що датчики можна підключати всього по двох проводах, оскільки саме таким струмом живиться сам датчик. Це його струм споживання і одночасно вимірювальний сигнал.

Джерело живлення датчиків діапазону 4 ... 20мА включається, як показано на малюнку 5. При цьому датчики Зонд-10, як і багато інших, по паспорту мають широкий діапазон напруги живлення 10 ... 38В, хоча найчастіше застосовуються стабілізовані джерела з напругою 24В.

Малюнок 5. Підключення аналогового датчика із зовнішнім джерелом живлення

На цій схемі присутні наступні елементи і позначення. Rш - резистор вимірювального шунта, Rл1 і Rл2 - опори ліній зв'язку. Для підвищення точності вимірювання в якості Rш повинен використовуватися прецизійний вимірювальний резистор. Проходження струму від джерела живлення показано стрілками.

Неважко бачити, що вихідний струм джерела живлення проходить з клеми + 24В, через лінію Rл1 досягає клеми датчика + AO2, проходить через датчик і через вихідний контакт датчика - AO2, сполучну лінію Rл2, резистор Rш повертається на клему джерела живлення -24В. Все, ланцюг замкнувся, струм тече.

У разі, якщо контролер містить джерело живлення 24В, то підключення датчика або вимірювального перетворювача можливо за схемою, показаної на малюнку 6.

Малюнок 6. Підключення аналогового датчика до контролера з внутрішнім джерелом живлення

На цій схемі показаний ще один елемент - баластний резистор Rб. Його призначення захист вимірювального резистора при замиканні лінії зв'язку або несправності аналогового датчика. Установка резистора Rб необов'язкова, хоча і бажана.

Крім різних датчиків струмовий вихід мають також вимірювальні перетворювачі, що в системах автоматизації використовуються досить часто.

Вимірювальний перетворювач - пристрій для перетворення рівнів напруги, наприклад, 220В або струму в кілька десятків або сотень ампер в струмовий сигнал 4 ... 20мА. Тут просто відбувається перетворення рівня електричного сигналу, а не подання деякої фізичної величини (швидкість, витрата, тиск) в електронному вигляді.

Але єдиним датчиком справа, як правило, не обходиться. Одними з найпопулярніших вимірювання є вимірювання температури і тиску. Кількість таких точок на сучасних виробництвах може досягати декількох десятків тисяч. Відповідно і кількість датчиків теж велике. Тому до одного контролера найчастіше підключається відразу кілька аналогових датчиків. Звичайно ж, не відразу кілька тисяч, добре, якщо десяток - інший. Таке підключення показано на малюнку 7.

Малюнок 7. Підключення декількох аналогових датчиків до контролера

На цьому малюнку показано, як з токового сигналу виходить напруга, придатне для перетворення в цифровий код. Якщо таких сигналів кілька, то обробляються вони не всі відразу, а розділяються за часом, мультиплексируются, в іншому випадку на кожен канал довелося б ставити окремий АЦП.

Для цієї мети контролер має схему комутації каналів. Функціональна схема комутатора показана на малюнку 8.

Малюнок 8. Комутатор каналів аналогових датчиків (картинка клікабельні)

Сигнали струмової петлі, перетворені в напругу на вимірювальному резисторі (UR1 ... URn) надходять на вхід аналогового комутатора. Керуючі сигнали по черзі пропускають на вихід один із сигналів UR1 ... URn, які посилюються підсилювачем, і по черзі надходять на вхід АЦП. Перетворене в цифровий код напруга надходить в контролер.

Схема, звичайно, дуже спрощена, але принцип мультиплексування в ній розглянути цілком можливо. Приблизно так побудований модуль вводу аналогових сигналів контролерів МСТС (мікропроцесорна система технічних засобів) випускалися смоленським ПК «Пролог». Зовнішній вигляд контролера МСТС показаний на малюнку 9.

Малюнок 9. Контролер МСТС

Випуск таких контролерів давно вже припинений, хоча в деяких місцях, далеко не кращих, ці контролери служать досі. На зміну цим музейним експонатам приходять контролери нових моделей, в основному імпортного (китайського) виробництва.

Для підключення струмових датчиків 4 ... 20мА рекомендується використовувати двопровідний екранований кабель з перетином жив не менше 0,5 мм 2.

Якщо контролер змонтований в металевій шафі, то екранують обплетення рекомендується підключати до точки заземлення шафи. Довжина з'єднувальних ліній може досягати двох з гаком кілометрів, що розраховується за відповідними формулами. Вважати тут нічого не будемо, але повірте, що це так.

Нові датчики, нові контролери

З приходом нових контролерів з'явилися і нові аналогові датчики, що працюють по протоколу HART (Highway Addressable Remote Transducer), що перекладається як «Вимірювальний перетворювач, що адресується дистанційно через магістраль».

Вихідний сигнал датчика (польового пристрої) являє собою аналоговий струмовий сигнал діапазону 4 ... 20мА, на який накладається частотно модульований (FSK - Frequency Shift Keying) сигнал цифрового зв'язку.

Малюнок 10. Вихідний сигнал аналогового датчика по протоколу HART

На малюнку показаний аналоговий сигнал, а навколо нього, як змія, звивається синусоїда. Це і є частотно - модульований сигнал. Але це ще зовсім не цифровий сигнал, його ще належить розпізнати. На малюнку видно, що частота синусоїди при передачі логічного нуля вище (2,2КГц), ніж при передачі одиниці (1,2КГц). Передача цих сигналів здійснюється струмом амплітудою ± 0,5мА синусоїдальної форми.

Відомо, що середнє значення синусоїдального сигналу дорівнює нулю, тому, на вихідний струм датчика 4 ... 20мА передача цифрової інформації не впливає. Такий режим використовується при налаштуванні датчиків.

Зв'язок по протоколу HART здійснюється двома способами. У першому випадку, стандартному, по двухпроводной лінії можуть обмінюватися інформацією тільки два пристрої, при цьому вихідний аналоговий сигнал 4 ... 20мА залежить від вимірюваної величини. Такий режим застосовується при налаштуванні польових пристроїв (датчиків).

У другому випадку до двухпроводной лінії може бути підключено до 15 датчиків, кількість яких визначається параметрами лінії зв'язку і потужністю блоку живлення. Це режим многоточечной зв'язку. У цьому режимі кожен датчик має свою адресу в діапазоні 1 ... 15, за яким до нього звертається пристрій управління.

Датчик з адресою 0 від Лінії зв'язку відключеній. Обмін даними між датчиком і пристроєм управління в багатоточковому режимі здійснюється тільки частотним сигналом. Токовий сигнал датчика зафіксований на необхідному рівні і не змінюється.

Під даними в разі многоточечной зв'язку маються на увазі не тільки власне результати вимірювань контрольованого параметра, але ще і цілий набір всілякої службової інформації.

В першу чергу це адреси датчиків, команди управління, параметри налаштування. І вся ця інформація передається двопровідними лініями зв'язку. А чи не можна позбутися і від них? Правда, робити це треба обережно, лише в тих випадках, коли бездротове з'єднання не зможе вплинути на безпеку контрольованого процесу.

Виявляється, позбутися від проводів можна. Уже в 2007 році був опублікований Стандарт WirelessHART, середовищем передачі є неліцензованому частота 2,4 ГГц, на якій працюють багато комп'ютерних бездротові пристрої, в тому числі і бездротові локальні мережі. Тому і WirelessHART-пристрої можна використовувати без всяких обмежень. На малюнку 11 показана бездротова мережа WirelessHART.

Малюнок 11. Бездротова мережа WirelessHART

Ось такі технології прийшли на зміну старій аналогової струмового петлі. Але і вона свої позиції не здає, широко застосовується скрізь, де це можливо.

Борис Аладишкін