Свързване на сензора за налягане към контролера. Свързване на сензори с токов изход към вторични устройства. Нови сензори, нови контролери

Дискретни сензори

Този алгоритъм ви позволява да избегнете удар при затваряне на матрицата, в противен случай тя може просто да бъде разбита на малки парченца. Същата промяна в скоростта се получава при отваряне на формата. Тук два контактни сензора вече не са достатъчни.

Приложение на аналогови сензори

Фигура 2. Мост Уитстоун

Свързване на аналогови сензори

Аналогови сензорни изходи

Но, като правило, един сензор не е достатъчен. Някои от най-популярните измервания са измерванията на температурата и налягането. Броят на тези точки на модерно производствоможе да достигне няколко десетки хиляди. Съответно броят на сензорите също е голям. Следователно няколко аналогови сензора най-често се свързват към един контролер наведнъж. Разбира се, не няколко хиляди наведнъж, добре е дузина да са различни. Такава връзка е показана на фигура 7.

Фигура 7. Свързване на множество аналогови сензори към контролера

Тази фигура показва как от токов сигнал се получава напрежение, подходящо за преобразуване в цифров код. Ако има няколко такива сигнала, тогава те не се обработват наведнъж, а се разделят във времето и се мултиплексират, в противен случай на всеки канал ще трябва да се инсталира отделен ADC.

За тази цел контролерът има схема за превключване на веригата. Функционална схемапревключвател е показан на фигура 8.

Фигура 8. Превключвател на канала на аналоговия сензор (картина с възможност за кликване)

Сигналите от токовата верига, преобразувани в напрежение през измервателния резистор (UR1...URn), се подават към входа на аналоговия ключ. Управляващите сигнали последователно преминават на изхода на един от сигналите UR1...URn, които се усилват от усилвателя, и последователно постъпват на входа на АЦП. Напрежението, преобразувано в цифров код, се подава към контролера.

Схемата, разбира се, е много опростена, но е напълно възможно да се разгледа принципът на мултиплексиране в нея. Приблизително така е изграден модулът за въвеждане на аналогови сигнали на MSTS контролери (микропроцесорна система) технически средства), произведени от Смоленск PC "Prolog".

Производството на такива контролери отдавна е прекратено, въпреки че на някои места, далеч от най-добрите, тези контролери все още служат. Тези музейни експонати се заменят с контролери на нови модели, предимно вносни (китайски).

Ако контролерът е монтиран в метален шкаф, се препоръчва да свържете екраниращите оплетки към точката на заземяване на шкафа. Дължината на свързващите линии може да достигне повече от два километра, което се изчислява по съответните формули. Тук няма да броим нищо, но повярвайте ми, това е вярно.

Нови сензори, нови контролери

С пристигането на нови контролери се появиха и нови аналогови сензори, които работят с помощта на протокола HART (Highway Addressable Remote Transducer), което се превежда като „Измервателен преобразувател, адресиран дистанционно чрез магистрала“.

Изходният сигнал на датчика (полево устройство) е аналогов токов сигнал в диапазона 4...20 mA, върху който е насложен честотно модулиран (FSK - Frequency Shift Keying) цифров комуникационен сигнал.

Известно е, че средната стойност на синусоидалния сигнал е нула, следователно предаването на цифрова информация не влияе на изходния ток на сензора 4...20 mA. Този режим се използва при конфигуриране на сензори.

HART комуникацията се осъществява по два начина. В първия случай, стандартния, само две устройства могат да обменят информация по двупроводна линия, докато изходният аналогов сигнал 4...20 mA зависи от измерената стойност. Този режим се използва при конфигуриране на полеви устройства (сензори).

Във втория случай към двупроводна линия могат да бъдат свързани до 15 сензора, чийто брой се определя от параметрите на комуникационната линия и мощността на захранването. Това е многоточков режим. В този режим всеки сензор има собствен адрес в диапазона 1...15, по който управляващото устройство осъществява достъп до него.

Сензорът с адрес 0 е изключен от комуникационната линия. Обменът на данни между сензора и управляващото устройство в многоточков режим се осъществява само чрез честотен сигнал. Текущият сигнал на сензора е фиксиран на необходимото ниво и не се променя.

В случай на многоточкова комуникация, данните означават не само действителните резултати от измерването на наблюдавания параметър, но и цял набор от всякакъв вид сервизна информация.

На първо място, това са адреси на сензори, команди за управление и конфигурационни параметри. И цялата тази информация се предава по двупроводни комуникационни линии. Възможно ли е да се отървете и от тях? Вярно е, че това трябва да се направи внимателно, само в случаите, когато безжичната връзка не може да повлияе на безопасността на контролирания процес.

Тези технологии са заменили старата аналогова токова верига. Но също така не отстъпва позицията си; използва се широко навсякъде, където е възможно.

В процес на автоматизация технологични процесиЗа да се управляват механизми и агрегати, човек трябва да се занимава с измервания на различни физически величини. Това може да бъде температура, налягане и поток на течност или газ, скорост на въртене, интензитет на светлината, информация за позицията на частите на механизмите и много други. Тази информация се получава с помощта на сензори. Тук, първо, за позицията на частите на механизмите.

Дискретни сензори

Най-простият сензор е обикновен механичен контакт: вратата се отваря - контактът се отваря, затваря се - затваря се. Такъв прост сензор, както и дадения алгоритъм на работа, често се използват в охранителни аларми. За механизъм с транслационно движение, който има две позиции, например воден клапан, ще ви трябват два контакта: един контакт е затворен - клапанът е затворен, другият е затворен - той е затворен.

По-сложен алгоритъм за транслационно движение има механизъм за затваряне на термопластичната форма на автоматичната машина. Първоначално формата е отворена, това е началната позиция. В това положение готовите продукти се изваждат от формата. След това работникът затваря предпазителя и формата започва да се затваря и започва нов работен цикъл.

Разстоянието между половините на формата е доста голямо. Поради това в началото формата се движи бързо и на известно разстояние преди затварянето на половинките се задейства крайният прекъсвач, скоростта на движение намалява значително и формата се затваря плавно.

Така контактните сензори са дискретни или бинарни, имат две позиции затворено - отворено или 1 и 0. С други думи, можем да кажем, че дадено събитие е настъпило или не. В горния пример няколко точки са „уловени“ от контактите: началото на движението, точката на намаляване на скоростта, края на движението.

В геометрията точката няма размери, само точка и това е. Може или да е (на лист хартия, в траекторията на движение, както в нашия случай), или просто да не съществува. Поради това се използват дискретни сензори за откриване на точки. Може би тук сравнението с точка не е много подходящо, защото за практически цели те използват точността на реакцията на дискретен сензор и тази точност е много по-голяма от геометричната точка.

Но самият механичен контакт е ненадежден. Ето защо, където е възможно, механичните контакти се заменят с безконтактни сензори. Най-простият вариант са тръстикови превключватели: магнитът се приближава, контактът се затваря. Точността на рийд превключвателя оставя много да се желае; такива сензори трябва да се използват само за определяне на позицията на вратите.

Различните безконтактни сензори трябва да се считат за по-сложна и точна опция. Ако металният флаг влезе в слота, сензорът се задейства. Пример за такива сензори са сензорите BVK (Proximity Limit Switch) от различни серии. Точността на реакция (диференциал на пътуването) на такива сензори е 3 милиметра.

Сензор от серия BVK

Фигура 1. Сензор от серия BVK

Захранващото напрежение на сензорите BVK е 24V, токът на натоварване е 200mA, което е напълно достатъчно за свързване на междинни релета за по-нататъшна координация с управляващата верига. Точно така се използват сензорите BVK в различни съоръжения.

В допълнение към сензорите BVK се използват и сензори от типа BTP, KVP, PIP, KVD, PISH. Всяка серия има няколко вида сензори, обозначени с номера, например BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Всички споменати сензори са безконтактни дискретни, основната им цел е да определят положението на части от механизми и възли. Естествено, има много повече от тези сензори; невъзможно е да се напише за всички в една статия. Различните контактни сензори са още по-често срещани и все още се използват широко.

Приложение на аналогови сензори

освен дискретни сензориАналоговите сензори се използват широко в системите за автоматизация. Тяхната цел е да получават информация за различни физични величини, и то не просто общо, а в реално време. По-точно, преобразуването на физическа величина (налягане, температура, осветеност, поток, напрежение, ток) в електрически сигнал, подходящ за предаване по комуникационни линии към контролера и последващата му обработка.

Аналоговите сензори обикновено се намират доста далеч от контролера, поради което често се наричат ​​полеви устройства. Този термин често се използва в техническата литература.

Аналоговият сензор обикновено се състои от няколко части. Най-много основна частТова е чувствителен елемент - сензор. Целта му е да преобразува измерената стойност в електрически сигнал. Но сигналът, получен от сензора, обикновено е малък. За получаване на сигнал, подходящ за усилване, сензорът най-често се включва в мостова схема - мост на Уитстон.

Мост Уитстоун

Фигура 2. Мост Уитстоун

Първоначалната цел на мостовата верига е да измерва точно съпротивлението. Източник на постоянен ток е свързан към диагонала на AD моста. Към другия диагонал е свързан чувствителен галванометър със средна точка, с нула в средата на скалата. За да измерите съпротивлението на резистора Rx, чрез завъртане на резистора за настройка R2, трябва да постигнете равновесие на моста и да поставите стрелката на галванометъра на нула.

Отклонението на стрелката на инструмента в една или друга посока ви позволява да определите посоката на въртене на резистора R2. Стойността на измереното съпротивление се определя от скалата, комбинирана с дръжката на резистора R2. Условието за равновесие на моста е равенството на съотношенията R1/R2 и Rx/R3. В този случай между точките BC се получава нулева потенциална разлика и през галванометъра V не протича ток.

Съпротивлението на резисторите R1 и R3 е избрано много точно, тяхното разпространение трябва да бъде минимално. Само в този случай дори малък дисбаланс на моста причинява доста забележима промяна в напрежението на диагонала BC. Именно това свойство на моста се използва за свързване на чувствителни елементи (сензори) на различни аналогови сензори. Е, тогава всичко е просто, въпрос на техника.

За да се използва сигналът, получен от сензора, той изисква допълнителна обработка - усилване и преобразуване в изходен сигнал, подходящ за предаване и обработка от управляващата верига - контролера. Най-често изходният сигнал на аналоговите сензори е ток (аналогов токов контур), по-рядко напрежение.

Защо ток? Факт е, че изходните етапи на аналоговите сензори са изградени на базата на източници на ток. Това ви позволява да се отървете от влиянието на съпротивлението на свързващите линии върху изходния сигнал и да използвате дълги свързващи линии.

По-нататъшното преобразуване е доста просто. Токовият сигнал се преобразува в напрежение, за което е достатъчно токът да премине през резистор с известно съпротивление. Падът на напрежението върху измервателния резистор се получава по закона на Ом U=I*R.

Например, за ток от 10 mA на резистор със съпротивление 100 Ohm, напрежението ще бъде 10 * 100 = 1000 mV, колкото 1 волт! В този случай изходният ток на сензора не зависи от съпротивлението на свързващите проводници. В разумни граници, разбира се.

Свързване на аналогови сензори

Напрежението, получено на измервателния резистор, може лесно да се преобразува в цифров вид, подходящ за въвеждане в контролера. Преобразуването се извършва с помощта на аналогово-цифрови преобразуватели (ADC).

Цифровите данни се предават към контролера чрез сериен или паралелен код. Всичко зависи от конкретната схема на превключване. Опростена схема на свързване за аналогов сензор е показана на фигура 3.

Свързване на аналогов сензор

Фигура 3. Свързване на аналогов сензор (щракнете върху снимката, за да я увеличите)

Изпълнителните механизми са свързани към контролера или самият контролер е свързан към компютър, включен в системата за автоматизация.

Естествено, аналоговите сензори имат цялостен дизайн, един от елементите на който е корпус със свързващи елементи. Като пример Фигура 4 показва външния вид на сензора свръхналяганетип Zond-10.

Сензор за свръхналягане Zond-10

Фигура 4. Сензор за свръхналягане Zond-10

В долната част на сензора можете да видите свързващата резба за свързване към тръбопровода, а вдясно под черния капак има конектор за свързване на комуникационната линия с контролера.

Запечатване резбова връзкасе извършва с помощта на шайба от загрята мед (включена в комплекта за доставка на сензора), а не чрез навиване от фум лента или лен. Това се прави така, че при инсталиране на сензора сензорният елемент, разположен вътре, да не се деформира.

Аналогови сензорни изходи

Съгласно стандартите има три диапазона на токови сигнали: 0...5mA, 0...20mA и 4...20mA. Каква е тяхната разлика и какви са характеристиките им?

Най-често зависимостта на изходния ток е право пропорционална на измерената стойност, например, колкото по-високо е налягането в тръбата, толкова по-голям е токът на изхода на сензора. Въпреки че понякога се използва обратно превключване: по-голям изходен ток съответства на минимална стойностизмерена стойност на изхода на сензора. Всичко зависи от вида на използвания контролер. Някои сензори дори имат превключвател от директен към обратен сигнал.

Изходният сигнал в диапазона 0...5mA е много малък и следователно податлив на смущения. Ако сигналът на такъв сензор се колебае, докато стойността на измерения параметър остава непроменена, тогава се препоръчва да се инсталира кондензатор с капацитет от 0,1...1 μF паралелно на изхода на сензора. Токовият сигнал в диапазона 0...20mA е по-стабилен.

Но и двата диапазона са лоши, защото нулата в началото на скалата не ни позволява да определим недвусмислено какво се е случило. Или измереният сигнал действително е достигнал нулево ниво, което е принципно възможно, или просто комуникационната линия е прекъсната? Ето защо, ако е възможно, те се опитват да избегнат използването на тези диапазони.

Сигналът от аналогови сензори с изходен ток в диапазона 4...20 mA се счита за по-надежден. Неговата устойчивост на шум е доста висока, а долната граница, дори ако измереният сигнал има нулево ниво, ще бъде 4 mA, което ни позволява да кажем, че комуникационната линия не е прекъсната.

Друга добра характеристика на обхвата 4...20mA е, че сензорите могат да бъдат свързани само с два проводника, тъй като това е токът, който захранва самия сензор. Това е неговата текуща консумация и същевременно измервателен сигнал.

Захранването за сензори в диапазона 4...20 mA е включено, както е показано на фигура 5. В същото време сензорите Zond-10, както много други, според техния лист с данни имат широк диапазон на захранващото напрежение от 10 ...38V, но най-често се използват стабилизирани източници с напрежение 24V.

Свързване на аналогов сензор с външно захранване

Фигура 5. Свързване на аналогов сензор с външно захранване

Тази диаграма съдържа следните елементи и символи. Rsh е измервателният шунтов резистор, Rl1 и Rl2 са съпротивлението на комуникационните линии. За да се увеличи точността на измерване, трябва да се използва прецизен измервателен резистор като Rsh. Протичането на ток от източника на захранване е показано със стрелки.

Лесно се вижда, че изходният ток на захранването преминава от +24V клема, през линията Rl1 достига до сензорната клема +AO2, преминава през сензора и през изходния контакт на датчика - AO2, свързващ линия Rl2, резисторът Rsh се връща към клемата за захранване -24V. Това е всичко, веригата е затворена, токът тече.

Ако контролерът съдържа 24V захранване, тогава свързването на сензор или измервателен преобразувател е възможно съгласно диаграмата, показана на фигура 6.

Свързване на аналогов сензор към контролер с вътрешно захранване

Фигура 6. Свързване на аналогов сензор към контролер с вътрешно захранване

Тази диаграма показва още един елемент - баластният резистор Rb. Целта му е да защити измервателния резистор в случай на късо съединение в комуникационната линия или неизправност на аналоговия сензор. Инсталирането на резистор Rb не е задължително, но е желателно.

В допълнение към различни сензори, измервателните преобразуватели имат и токов изход, които се използват доста често в системите за автоматизация.

Измервателният преобразувател е устройство за преобразуване на нива на напрежение, например 220V или ток от няколко десетки или стотици ампера в токов сигнал от 4...20mA. Това е мястото, където просто се случва преобразуването на ниво. електрически сигнал, а не представянето на някаква физическа величина (скорост, поток, налягане) в електрическа форма.

Но като правило един сензор не е достатъчен. Някои от най-популярните измервания са измерванията на температурата и налягането. Броят на такива точки в съвременното производство може да достигне няколко десет

Прочетете също

• Видове стенни лампи и характеристики на тяхното използване
• За потенциалната разлика, електродвижещата сила и напрежението
• Какво може да се определи от измервателния уред, освен консумацията на електроенергия
• Относно критериите за оценка на качеството на електрическите продукти
• Какво е по-добре за частен дом - еднофазен или трифазен вход?
• Как да изберем стабилизатор на напрежение за селска къща
• Ефект на Пелтие: магическото действие на електрическия ток
• Практиката на окабеляване и свързване на телевизионен кабел в апартамент - характеристики на процеса
• Проблеми с електрическото окабеляване: какво да правите и как да ги поправите?
• Флуоресцентни лампи T5: перспективи и проблеми на приложението
• Прибиращи се блокове за гнезда: практика на използване и свързване
• Електронни усилватели. Част 2. Аудио усилватели
• Правилна работа на електрическо оборудване и окабеляване в селска къща
• Ключови моменти относно използването на безопасно напрежение у дома
• Необходими инструменти и устройства за начинаещи в изучаването на електроника
• Кондензатори: предназначение, устройство, принцип на работа
• Какво е преходно контактно съпротивление и как да се справим с него
• Релета за напрежение: какви са те, как да изберем и свържете?
• Какво е по-добре за частен дом - еднофазен или трифазен вход?
• Кондензатори в електронни схеми. Част 2. Междукаскадна комуникация, филтри, генератори
• Как да осигурим комфорт, когато електрическата мрежа е недостатъчна
• Когато купувате машина в магазин, как можете да сте сигурни, че е в изправност?
• Как да изберем напречно сечение на проводника за 12-волтови осветителни мрежи
• Метод за свързване на бойлер и помпа при недостатъчна мрежова мощност
• Индуктори и магнитни полета. Част 2. Електромагнитна индукция и индуктивност
• Операционни усилватели. Част 2: Идеален операционен усилвател
• Какво представляват микроконтролерите (предназначение, устройство, софтуер)
• Удължаване на живота на компактна флуоресцентна лампа (икономка)
• Схеми за превключване на операционни усилватели без обратна връзка
• Смяна на ел. табло на апартамент
• Защо не можете да комбинирате мед и алуминий в електрическото окабеляване?

В процеса на автоматизиране на технологичните процеси за управление на механизми и агрегати трябва да се работи с измервания на различни физически величини. Това може да бъде температура, налягане и поток на течност или газ, скорост на въртене, интензитет на светлината, информация за позицията на частите на механизмите и много други. Тази информация се получава с помощта на сензори. Тук, първо, за позицията на частите на механизмите.

Дискретни сензори

Най-простият сензор е обикновен механичен контакт: вратата се отваря - контактът се отваря, затваря се - затваря се. Такъв прост сензор, както и дадения алгоритъм на работа, често... За механизъм с транслационно движение, който има две позиции, например воден клапан, ще ви трябват два контакта: един контакт е затворен - клапанът е затворен, другият е затворен - той е затворен.

По-сложен алгоритъм за транслационно движение има механизъм за затваряне на термопластичната форма на автоматичната машина. Първоначално формата е отворена, това е началната позиция. В това положение готовите продукти се изваждат от формата. След това работникът затваря предпазителя и формата започва да се затваря и започва нов работен цикъл.

Разстоянието между половините на формата е доста голямо. Поради това в началото формата се движи бързо и на известно разстояние преди затварянето на половинките се задейства крайният прекъсвач, скоростта на движение намалява значително и формата се затваря плавно.

Този алгоритъм ви позволява да избегнете удар при затваряне на матрицата, в противен случай тя може просто да бъде разбита на малки парченца. Същата промяна в скоростта се получава при отваряне на формата. Тук два контактни сензора вече не са достатъчни.

Така контактните сензори са дискретни или бинарни, имат две позиции затворено - отворено или 1 и 0. С други думи, можем да кажем, че дадено събитие е настъпило или не. В горния пример няколко точки са „уловени“ от контактите: началото на движението, точката на намаляване на скоростта, края на движението.

В геометрията точката няма размери, само точка и това е. Може или да е (на лист хартия, в траекторията на движение, както в нашия случай), или просто да не съществува. Поради това се използват дискретни сензори за откриване на точки. Може би тук сравнението с точка не е много подходящо, защото за практически цели те използват точността на реакцията на дискретен сензор и тази точност е много по-голяма от геометричната точка.

Но самият механичен контакт е ненадежден. Ето защо, където е възможно, механичните контакти се заменят с безконтактни сензори. Най-простият вариант са тръстикови превключватели: магнитът се приближава, контактът се затваря. Точността на рийд превключвателя оставя много да се желае; такива сензори трябва да се използват само за определяне на позицията на вратите.

Различните безконтактни сензори трябва да се считат за по-сложна и точна опция. Ако металният флаг влезе в слота, сензорът се задейства. Пример за такива сензори са сензорите BVK (Proximity Limit Switch) от различни серии. Точността на реакция (диференциал на пътуването) на такива сензори е 3 милиметра.

Фигура 1. Сензор от серия BVK

Захранващото напрежение на сензорите BVK е 24V, токът на натоварване е 200mA, което е напълно достатъчно за свързване на междинни релета за по-нататъшна координация с управляващата верига. Точно така се използват сензорите BVK в различни съоръжения.

В допълнение към сензорите BVK се използват и сензори от типа BTP, KVP, PIP, KVD, PISH. Всяка серия има няколко вида сензори, обозначени с номера, например BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Всички споменати сензори са безконтактни дискретни, основната им цел е да определят положението на части от механизми и възли. Естествено, има много повече от тези сензори; невъзможно е да се напише за всички в една статия. Различните контактни сензори са още по-често срещани и все още се използват широко.

Приложение на аналогови сензори

В допълнение към дискретните сензори, аналоговите сензори се използват широко в системите за автоматизация. Тяхната цел е да получават информация за различни физични величини, и то не просто общо, а в реално време. По-точно, преобразуването на физическа величина (налягане, температура, осветеност, поток, напрежение, ток) в електрически сигнал, подходящ за предаване по комуникационни линии към контролера и последващата му обработка.

Аналоговите сензори обикновено се намират доста далеч от контролера, поради което често се наричат полеви устройства. Този термин често се използва в техническата литература.

Аналоговият сензор обикновено се състои от няколко части. Най-важната част е сензорният елемент - сензор. Целта му е да преобразува измерената стойност в електрически сигнал. Но сигналът, получен от сензора, обикновено е малък. За да се получи сигнал, подходящ за усилване, сензорът най-често се включва в мостова верига - Мост Уитстоун.

Фигура 2. Мост Уитстоун

Първоначалната цел на мостовата верига е да измерва точно съпротивлението. Източник на постоянен ток е свързан към диагонала на AD моста. Към другия диагонал е свързан чувствителен галванометър със средна точка, с нула в средата на скалата. За да измерите съпротивлението на резистора Rx, чрез завъртане на резистора за настройка R2, трябва да постигнете равновесие на моста и да поставите стрелката на галванометъра на нула.

Отклонението на стрелката на инструмента в една или друга посока ви позволява да определите посоката на въртене на резистора R2. Стойността на измереното съпротивление се определя от скалата, комбинирана с дръжката на резистора R2. Условието за равновесие на моста е равенството на съотношенията R1/R2 и Rx/R3. В този случай между точките BC се получава нулева потенциална разлика и през галванометъра V не протича ток.

Съпротивлението на резисторите R1 и R3 е избрано много точно, тяхното разпространение трябва да бъде минимално. Само в този случай дори малък дисбаланс на моста причинява доста забележима промяна в напрежението на диагонала BC. Именно това свойство на моста се използва за свързване на чувствителни елементи (сензори) на различни аналогови сензори. Е, тогава всичко е просто, въпрос на техника.

За да се използва сигналът, получен от сензора, той изисква допълнителна обработка - усилване и преобразуване в изходен сигнал, подходящ за предаване и обработка от управляващата верига - контролер. Най-често изходният сигнал на аналоговите сензори е ток (аналогов токов контур), по-рядко напрежение.

Защо ток? Факт е, че изходните етапи на аналоговите сензори са изградени на базата на източници на ток. Това ви позволява да се отървете от влиянието на съпротивлението на свързващите линии върху изходния сигнал и да използвате дълги свързващи линии.

По-нататъшното преобразуване е доста просто. Токовият сигнал се преобразува в напрежение, за което е достатъчно токът да премине през резистор с известно съпротивление. Падът на напрежението върху измервателния резистор се получава по закона на Ом U=I*R.

Например, за ток от 10 mA на резистор със съпротивление 100 Ohm, напрежението ще бъде 10 * 100 = 1000 mV, колкото 1 волт! В този случай изходният ток на сензора не зависи от съпротивлението на свързващите проводници. В разумни граници, разбира се.

Свързване на аналогови сензори

Напрежението, получено на измервателния резистор, може лесно да се преобразува в цифров вид, подходящ за въвеждане в контролера. Преобразуването се извършва с помощта на аналогово-цифрови преобразуватели ADC.

Цифровите данни се предават към контролера чрез сериен или паралелен код. Всичко зависи от конкретната схема на превключване. Опростена схема на свързване за аналогов сензор е показана на фигура 3.

Фигура 3. Свързване на аналогов сензор (щракнете върху снимката, за да я увеличите)

Изпълнителните механизми са свързани към контролера или самият контролер е свързан към компютър, включен в системата за автоматизация.

Естествено, аналоговите сензори имат цялостен дизайн, един от елементите на който е корпус със свързващи елементи. Като пример, Фигура 4 показва външния вид на датчик за свръхналягане от типа Zond-10.

Фигура 4. Сензор за свръхналягане Zond-10

В долната част на сензора можете да видите свързващата резба за свързване към тръбопровода, а вдясно под черния капак има конектор за свързване на комуникационната линия с контролера.

Резбовата връзка се уплътнява с помощта на шайба от загрята мед (включена в комплекта за доставка на сензора), а не чрез навиване с фум лента или лен. Това се прави така, че при инсталиране на сензора сензорният елемент, разположен вътре, да не се деформира.

Аналогови сензорни изходи

Съгласно стандартите има три диапазона на токови сигнали: 0...5mA, 0...20mA и 4...20mA. Каква е тяхната разлика и какви са характеристиките им?

Най-често зависимостта на изходния ток е право пропорционална на измерената стойност, например, колкото по-високо е налягането в тръбата, толкова по-голям е токът на изхода на сензора. Въпреки че понякога се използва обратно превключване: по-голям изходен ток съответства на минималната стойност на измереното количество на изхода на сензора. Всичко зависи от вида на използвания контролер. Някои сензори дори имат превключвател от директен към обратен сигнал.

Изходният сигнал в диапазона 0...5mA е много малък и следователно податлив на смущения. Ако сигналът на такъв сензор се колебае, докато стойността на измерения параметър остава непроменена, тогава се препоръчва да се инсталира кондензатор с капацитет от 0,1...1 μF паралелно на изхода на сензора. Токовият сигнал в диапазона 0...20mA е по-стабилен.

Но и двата диапазона са лоши, защото нулата в началото на скалата не ни позволява да определим недвусмислено какво се е случило. Или измереният сигнал действително е достигнал нулево ниво, което е принципно възможно, или просто комуникационната линия е прекъсната? Ето защо, ако е възможно, те се опитват да избегнат използването на тези диапазони.

Сигналът от аналогови сензори с изходен ток в диапазона 4...20 mA се счита за по-надежден. Неговата устойчивост на шум е доста висока, а долната граница, дори ако измереният сигнал има нулево ниво, ще бъде 4 mA, което ни позволява да кажем, че комуникационната линия не е прекъсната.

Друга добра характеристика на обхвата 4...20mA е, че сензорите могат да бъдат свързани само с два проводника, тъй като това е токът, който захранва самия сензор. Това е неговата текуща консумация и същевременно измервателен сигнал.

Захранването за сензори в диапазона 4...20 mA е включено, както е показано на фигура 5. В същото време сензорите Zond-10, както много други, според техния лист с данни имат широк диапазон на захранващото напрежение от 10 ...38V, въпреки че най-често се използват с напрежение 24V.

Фигура 5. Свързване на аналогов сензор с външно захранване

Тази диаграма съдържа следните елементи и символи. Rsh е измервателният шунтов резистор, Rl1 и Rl2 са съпротивлението на комуникационните линии. За да се увеличи точността на измерване, трябва да се използва прецизен измервателен резистор като Rsh. Протичането на ток от източника на захранване е показано със стрелки.

Лесно се вижда, че изходният ток на захранването преминава от +24V клема, през линията Rl1 достига до сензорната клема +AO2, преминава през сензора и през изходния контакт на датчика - AO2, свързващ линия Rl2, резисторът Rsh се връща към клемата за захранване -24V. Това е всичко, веригата е затворена, токът тече.

Ако контролерът съдържа 24V захранване, тогава свързването на сензор или измервателен преобразувател е възможно съгласно диаграмата, показана на фигура 6.

Фигура 6. Свързване на аналогов сензор към контролер с вътрешно захранване

Тази диаграма показва още един елемент - баластният резистор Rb. Целта му е да защити измервателния резистор в случай на късо съединение в комуникационната линия или неизправност на аналоговия сензор. Инсталирането на резистор Rb не е задължително, но е желателно.

В допълнение към различни сензори, измервателните преобразуватели имат и токов изход, които се използват доста често в системите за автоматизация.

Трансдюсер- устройство за преобразуване на нива на напрежение, например 220V или ток от няколко десетки или стотици ампера в токов сигнал от 4...20mA. Тук нивото на електрическия сигнал просто се преобразува, а не представянето на някаква физическа величина (скорост, поток, налягане) в електрическа форма.

Но като правило един сензор не е достатъчен. Някои от най-популярните измервания са измерванията на температурата и налягането. Броят на такива точки в съвременните фабрики може да достигне няколко десетки хиляди. Съответно броят на сензорите също е голям. Следователно няколко аналогови сензора най-често се свързват към един контролер наведнъж. Разбира се, не няколко хиляди наведнъж, добре е дузина да са различни. Такава връзка е показана на фигура 7.

Фигура 7. Свързване на множество аналогови сензори към контролера

Тази фигура показва как от токов сигнал се получава напрежение, подходящо за преобразуване в цифров код. Ако има няколко такива сигнала, тогава те не се обработват наведнъж, а се разделят във времето и се мултиплексират, в противен случай на всеки канал ще трябва да се инсталира отделен ADC.

За тази цел контролерът има схема за превключване на веригата. Функционалната схема на превключвателя е показана на фигура 8.

Фигура 8. Превключвател на канала на аналоговия сензор (картина с възможност за кликване)

Сигналите от токовата верига, преобразувани в напрежение през измервателния резистор (UR1...URn), се подават към входа на аналоговия ключ. Управляващите сигнали последователно преминават на изхода на един от сигналите UR1...URn, които се усилват от усилвателя, и последователно постъпват на входа на АЦП. Напрежението, преобразувано в цифров код, се подава към контролера.

Схемата, разбира се, е много опростена, но е напълно възможно да се разгледа принципът на мултиплексиране в нея. Приблизително така е изграден модулът за въвеждане на аналогови сигнали на MSTS контролери (микропроцесорна система от технически средства), произведен от Смоленската РС „Пролог“. Външен вид MCTS контролерът е показан на фигура 9.

Фигура 9. MSTS контролер

Производството на такива контролери отдавна е прекратено, въпреки че на някои места, далеч от най-добрите, тези контролери все още служат. Тези музейни експонати се заменят с контролери на нови модели, предимно вносни (китайски).

Ако контролерът е монтиран в метален шкаф, се препоръчва да свържете екраниращите оплетки към точката на заземяване на шкафа. Дължината на свързващите линии може да достигне повече от два километра, което се изчислява по съответните формули. Тук няма да броим нищо, но повярвайте ми, това е вярно.

Нови сензори, нови контролери

С пристигането на нови контролери, нови аналогови сензори, използващи протокола HART(Highway Addressable Remote Transducer), което се превежда като „Измервателен преобразувател, адресиран дистанционно чрез магистрала“.

Изходният сигнал на датчика (полево устройство) е аналогов токов сигнал в диапазона 4...20 mA, върху който е насложен честотно модулиран (FSK - Frequency Shift Keying) цифров комуникационен сигнал.

Фигура 10. Изход от аналогов сензор чрез HART протокол

Фигурата показва аналогов сигнал и синусоида се извива около него като змия. Това е честотно модулиран сигнал. Но това изобщо не е цифров сигнал; той все още не е разпознат. На фигурата се забелязва, че честотата на синусоидата при предаване на логическа нула е по-висока (2,2 KHz), отколкото при предаване на единица (1,2 KHz). Предаването на тези сигнали се осъществява от ток с амплитуда ±0,5 mA със синусоидална форма.

Известно е, че средната стойност на синусоидалния сигнал е нула, следователно предаването на цифрова информация не влияе на изходния ток на сензора 4...20 mA. Този режим се използва при конфигуриране на сензори.

HART комуникацията се осъществява по два начина. В първия случай, стандартния, само две устройства могат да обменят информация по двупроводна линия, докато изходният аналогов сигнал 4...20 mA зависи от измерената стойност. Този режим се използва при конфигуриране на полеви устройства (сензори).

Във втория случай към двупроводна линия могат да бъдат свързани до 15 сензора, чийто брой се определя от параметрите на комуникационната линия и мощността на захранването. Това е многоточков режим. В този режим всеки сензор има собствен адрес в диапазона 1...15, по който управляващото устройство осъществява достъп до него.

Сензорът с адрес 0 е изключен от комуникационната линия. Обменът на данни между сензора и управляващото устройство в многоточков режим се осъществява само чрез честотен сигнал. Текущият сигнал на сензора е фиксиран на необходимото ниво и не се променя.

В случай на многоточкова комуникация, данните означават не само действителните резултати от измерването на наблюдавания параметър, но и цял набор от всякакъв вид сервизна информация.

На първо място, това са адреси на сензори, команди за управление и конфигурационни параметри. И цялата тази информация се предава по двупроводни комуникационни линии. Възможно ли е да се отървете и от тях? Вярно е, че това трябва да се направи внимателно, само в случаите, когато безжичната връзка не може да повлияе на безопасността на контролирания процес.

Оказва се, че можете да се отървете от жиците. Още през 2007 г. беше публикуван стандартът WirelessHART; предавателната среда е нелицензираната честота от 2,4 GHz, на която работят много компютърни безжични устройства, включително безжични локални мрежи. Следователно устройствата WirelessHART също могат да се използват без никакви ограничения. Фигура 11 показва безжичната мрежа WirelessHART.

Фигура 11. Безжична мрежа WirelessHART

Тези технологии са заменили старата аналогова токова верига. Но също така не отстъпва позицията си; използва се широко навсякъде, където е възможно.

Свързване на токовия сензор към микроконтролера

След като се запознахме с основите на теорията, можем да преминем към въпроса за четенето, трансформирането и визуализирането на данни. С други думи, ще проектираме прост измервател на постоянен ток.

Аналоговият изход на сензора е свързан към един от ADC каналите на микроконтролера. Всички необходими трансформации и изчисления се изпълняват в програмата на микроконтролера. LCD индикатор с 2 реда символи се използва за показване на данни.

Експериментален дизайн

За да експериментирате с токов сензор, е необходимо да сглобите структурата съгласно диаграмата, показана на фигура 8. Авторът е използвал макет и модул, базиран на микроконтролер за това (фигура 9).

Модулът за токов сензор ACS712-05B може да бъде закупен готов (продава се много евтино в eBay) или можете да го направите сами. Капацитетът на филтърния кондензатор е избран да бъде 1 nF, а за захранването е инсталиран блокиращ кондензатор от 0,1 µF. За да се покаже включено захранване, е запоен светодиод с охлаждащ резистор. Захранването и изходният сигнал на сензора са свързани към конектора от едната страна на платката на модула, 2-пинов конектор за измерване на протичащия ток е разположен от другата страна.

За експерименти с измерване на ток свързваме регулируем източник на постоянно напрежение към клемите за измерване на ток на сензора чрез сериен резистор 2,7 Ohm / 2 W. Изходът на сензора е свързан към порта RA0/AN0 (пин 17) на микроконтролера. Двуредов символен LCD индикатор е свързан към порт B на микроконтролера и работи в 4-битов режим.

Микроконтролерът се захранва от напрежение +5 V, същото напрежение се използва като еталон за ADC. Необходимите изчисления и трансформации се изпълняват в програмата на микроконтролера.

Математическите изрази, използвани в процеса на преобразуване, са дадени по-долу.

Чувствителност на сензора за ток Sens = 0,185 V/A. При захранване Vcc = 5 V и референтно напрежение Vref = 5 V, изчислените зависимости ще бъдат както следва:

ADC изходен код

Следователно

В резултат на това формулата за изчисляване на тока е следната:

Важна забележка. Горните зависимости се основават на предположението, че захранващото напрежение и референтното напрежение за ADC са равни на 5 V. Въпреки това, последният израз, свързващ тока I и изходния код на ADC Count остава валиден дори ако захранващото напрежение варира. Това беше обсъдено в теоретичната част на описанието.

От последния израз се вижда, че текущата разделителна способност на сензора е 26,4 mA, което съответства на 513 ADC проби, което е с една проба повече от очаквания резултат. По този начин можем да заключим, че това изпълнение не позволява измерването на малки токове. За да увеличите разделителната способност и чувствителността при измерване на малки токове, ще трябва да използвате операционен усилвател. Пример за такава верига е показан на фигура 10.

Програма за микроконтролер

Програмата за микроконтролер PIC16F1847 е написана на език C и компилирана в среда mikroC Pro (mikroElektronika). Резултатите от измерването се показват на двуредов LCD индикатор с точност до два знака след десетичната запетая.

Изход

При нулев входен ток изходното напрежение на ACS712 в идеалния случай трябва да бъде строго Vcc/2, т.е. Числото 512 трябва да бъде прочетено от ADC на изходното напрежение на сензора с 4,9 mV, което води до изместване на резултата от преобразуването с 1 най-малък бит от ADC (Фигура 11). (За Vref = 5,0 V разделителната способност на 10-битовия ADC ще бъде 5/1024 = 4,9 mV), което съответства на 26 mA входен ток. Обърнете внимание, че за да се намали влиянието на флуктуациите, е препоръчително да се направят няколко измервания и след това да се осреднят техните резултати.

Ако изходното напрежение на регулираното захранване е зададено равно на 1 V, през
резисторът трябва да носи ток от около 370 mA. Измерената стойност на тока в експеримента е 390 mA, което надвишава правилен резултатза една единица от най-малкия бит на ADC (Фигура 12).

Фигура 12.

При напрежение 2 V индикаторът ще покаже 760 mA.

Това завършва нашето обсъждане на токовия сензор ACS712. Ние обаче не засегнахме още един въпрос. Как се измерва с този датчик AC? Имайте предвид, че сензорът осигурява мигновен отговор, съответстващ на тока, протичащ през тестовите проводници. Ако токът тече в положителна посока (от щифтове 1 и 2 към щифтове 3 и 4), чувствителността на сензора е положителна и изходното напрежение е по-голямо от Vcc/2. Ако токът промени посоката, чувствителността ще бъде отрицателна и изходното напрежение на сензора ще падне под нивото Vcc/2. Това означава, че при измерване на AC сигнал, ADC на микроконтролера трябва да взема проби достатъчно бързо, за да може да изчисли RMS стойността на тока.

Изтегляния

Изходният код на програмата на микроконтролера и файлът за фърмуера -