дискретный датчик что такое
Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы
Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.
Аналоговым называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.
Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.
Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени.
На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.
Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.
Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.
Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.
Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.
Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.
Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).
Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым. То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.
Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.
На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.
Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.
Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.
В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.
Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:
Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию. Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.
Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что такое датчик?
Что такое датчики и зачем они нужны
При изучении робототехники возникает вопрос – что такое датчики? Датчики еще часто называю сенсорами.
Датчики — это детекторы, которые имеют возможность измерять некоторые физические качества, такие как давление или свет.
Датчик после этого будет преобразовывать измерение в сигнал, который может быть передан для анализа. Большинство датчиков, используемых сегодня существует для того, чтобы иметь возможность общаться с электронным устройством, которое будет делать измерения и записи.
датчик что это
Наличие датчиков обязательно для всех систем автоматизации. Именно датчики позволяют создать робота, который может реагировать на изменение различных параметров окружающей среды. Получая информацию от датчиков, робот выполняет различные действия согласно заложенной в него программе.
Можно сказать, что наличие датчиков и обратной связи с ними, отличает робота от автоматизированного устройства. Изучая робототехнику можно быстро узнать, что такое датчик и как использовать различные типы датчиков.
Сегодня вы сможете найти датчики в широком диапазоне различных устройств, которые вы используете регулярно. Сенсорный экран, который у вас есть на телефоне.
экран смартфона
Ультразвуковые датчики для открытия дверей в торговых центрах, герконовые датчики для систем сигнализации и множество других. Датчики являются очень распространенной частью повседневной жизни.
Введение в датчики
Мир полон сенсоров. В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с автоматизацией во всех видах деятельности. Автоматизация включает включение света и вентилятора, с использованием мобильных телефонов. Управление телевизором с помощью мобильных приложений.
Регулировки температуры в помещении. Обеспечение пожарной безопасности при помощи детекторов дыма и т.д. Все это делается с помощью датчиков. В наши дни любой встроенный системный продукт имеет встроенные датчики. Есть множество приложений, таких как мобильные управляемые камеры видеонаблюдения.
Приложения мониторинга и прогнозирования погоды и т. д. Датчики играют очень важную роль в профилактике и обнаружении заболеваний в здравоохранении. Поэтому, прежде чем проектировать датчик, использующий приложение, мы должны понять, что такое датчик, что именно делает датчик и сколько типов датчиков доступны.
Что такое датчик?
Датчик определяется как устройство или модуль, который помогает обнаружить любые изменения в физической величине такой как давление, сила или электрическая величина, как ток или любой другой вид энергии. После наблюдать изменениями, датчик посылает обнаруженный входной сигнал к микроконтроллеру или микропроцессору.
микроконтроллер
Наконец, датчик выдает считываемый выходной сигнал, который может быть либо оптическим, либо электрическим, либо любой формой сигнала, соответствующей изменению входного сигнала. В любой измерительной системе большую роль играют датчики.
Фактически, датчики являются первым элементом в структурной схеме измерительной системы, который вступает в непосредственный контакт с переменными для получения действительного выхода. Теперь вы знаете, что такое датчик и что на самом деле означает датчик.
Классификация датчиков
Активный датчик
Что такое активные датчик – это тип датчиков, который производит выходной сигнал с помощью внешнего источника возбуждения.
Собственные физические свойства датчика изменяются в зависимости от применяемого внешнего воздействия. Например, тензометрический датчик.
При нажатии на такой датчик воздействие преобразуется в электрический сигнал и сигнал передается в считывающее устройство.
Пассивный датчик
Пассивные датчики тип датчиков, который производит выходной сигнал без помощи внешнего источника возбуждения.
Им не нужны никакие дополнительные токи или напряжения. Например, термопара, которая генерирует значение напряжения, соответствующее приложенному теплу.
датчик температуры
Она не требует никакого внешнего электропитания.
Также датчики подразделяются на
Аналоговые
Что такое аналоговый датчик – это сенсор, который производит непрерывный сигнал относительно времени с аналоговым выходом.
Сформированный аналоговый выходной сигнал пропорционален измеряемому им входному сигналу. Как правило, аналоговое напряжение лежит в диапазоне от 0 до 10 В или в качестве выходного сигнала используется ток.
Примерами физических параметров для непрерывных сигналов могут служить температура, усилие, давление, смещение и др. Например, аналоговый датчик линии Arduino.
Цифровые
Цифровые датчики-это те, которые производят дискретные выходные сигналы.
Дискретные сигналы будут не непрерывными во времени и могут быть представлены в “битах” для последовательной передачи и в “байтах” для параллельной передачи. Измеряемая величина будет представлена в цифровом формате. Цифровой выход может быть в форме логики 1 или логики 0 (включено-выключено).
Цифровой датчик состоит из датчика, кабеля и передатчика. Измеренный сигнал преобразован в цифровой сигнал внутри датчика самого без любого внешнего компонента. Кабель используется для передачи на большие расстояния. Примером цифрового датчика может служить энкодер.
энкодеры
Он включает в себя цифровой светодиод и фотодиод, используемый для получения цифрового сигнала для измерения скорости вращающегося вала. Диск прикреплен к вращающемуся валу. Вращающийся вал имеет по окружности прозрачные пазы. Когда вал вращается со скоростью, диск также вращается вместе с ним.
принцип работы энкодера
Сигнал от светодиода проходит через паз и фиксируется фотодиодом. Выходным сигналом будет логическая 1 или логический 0. Выходные данные отображаются на ЖК-дисплее после прохождения через счетчик.
В настоящее время есть огромное количество датчиков для различных целей и каждый год датчики становятся все совершеннее. Сейчас все больше становится программируемых датчиков, которые можно калибровать и программировать на различные виды измерений.
Обычно в комплекте с этими датчиками идет достаточно подробная инструкция со схемами подключения, способами настройки и программирования датчиков.
Обзор полезного набора датчиков для Arduino
Первичные средства измерения. Аналоговые и дискретные датчики
Типов и видов датчиков существует огромное множество. Они различаются типом измеряемого параметра, способом измерения, конструкцией, диапазоном измерения, видом выходного сигнала и т.д. Рассмотрим только те типы и виды, которые применяются в инженерных системах зданий.
Аналоговые измерительные датчики – это первичные преобразователи.
Такой тип датчиков применяется в системах непрерывного измерения и регулирования. Принцип действия таких датчиков состоит в том, что при изменении параметра происходит соответствующее изменение его выходного сигнала.
Дискретные измерительные датчики – сигнализаторы, реле и т.п.
Такой тип датчиков применяется, когда необходимо отследить конкретное значение измеряемого параметра для каких либо дальнейших действий.
Эти датчики устанавливаются там, где отсутствует необходимость получения всех значений измеряемого параметра, там, где необходимо знать, достиг ли параметр какого-либо конкретного значения. В этом случае измерительная система выдает сигнал только при достижении заданного ограничительного значения.
Датчики (измерительные преобразователи ) температуры.
Физический смысл работы преобразователей температуры (термосопротивлений) основан на изменении сопротивления применяемого в качестве чувствительного элемента металла в зависимости от температуры среды, в которую он погружен. Пропуская через этот элемент электрический ток, мы можем получить зависимость изменения напряжения от температуры. Раньше в качестве такого металла применялась медь. Были медные чувствительные элементы с сопротивлением 50 Ом или 100 Ом при 0ºС. Их недостатком было то, что при значительных длинах проводов, которые соединяли их с вторичными устройствами, сопротивление кабеля было соизмеримо, а то и больше, чем сопротивление самих датчиков. Это, естественно, вносило погрешности в измерения, которые необходимо было компенсировать. Сейчас от этой проблемы ушли, применяя металлы, имеющие 500 Ом или 1000 Ом при 0ºС. Это платина (Pt) и никель (Ni). Поэтому сегодня в инженерных системах чаще всего применяются датчики типа Pt 1000.
В современных системах чаще используются погружные термопреобразователи сопротивления, чувствительный элемент которых непосредственно погружен в измеряемую среду, и накладные, которые измеряют температуру поверхности, предполагая, что она приблизительно равна температуре самой среды. В качестве дискретных датчиков температуры чаще всего применяются манометрические термометры. Это устройства, в которых чувствительным элементом является термобаллон, который соединен капиллярной трубкой с сильфоном. При изменении температуры термобаллона изменяется давление в системе и сильфон перемещает механизм, который заканчивается контактными устройствами. Часто можно услышать название таких датчиков – сигнализаторы температуры или термостаты. Бывают также и
биметаллические датчики.
Датчики (измерительные преобразователи ) давления и перепада давлений.
Датчики давления, как и датчики температуры, бывают аналоговые и дискретные.
Раньше использовались мембранные и сильфонные датчики, принцип действия которых был основан на механическом перемещении (сжатии или расширении) данных чувствительных элементов при изменении давления среды. Далее эти чувствительные элементы имели шток, перемещающийся в магнитном поле и меняющий величину, например, магнитной индукции. Сейчас в качестве чувствительных элементов все чаще применяют тензорезисторы. При сжатии или расширении такого резистора меняется его сопротивление. А дальше, так же, как и в термопреобразователях сопротивления, данный резистор включается в электрическую схему. Дискретные датчики давления рассчитаны на необходимость фиксации конкретного значения давления или перепада давления. Для этого применяются электроконтактные манометры и дифманометры, в качестве чувствительных элементов которых применены трубчатые пружины и мембраны.
Датчики (измерительные преобразователи) влажности.
Датчики влажности
Почти все современные аналоговые датчики влажности имеют емкостной чувствительный элемент. Их принцип работы основан на изменении емкости чувствительного элемента при изменении влажности. Далее этот чувствительный элемент включен в измерительную схему вторичного прибора. Достаточно часто встречаются совмещенные аналоговые датчики влажности и температуры. Таким образом, в точке отбора, где требуется измерение этих двух параметров, устанавливается один прибор вместо двух. Такой датчик имеет два независимых выходных сигнала – один по влажности, другой по температуре.
Дискретные датчики влажности отличаются от аналоговых наличием контактной группы, срабатывающей только при заданном значении. Такие датчики также называют гигростатами.
Датчики (измерительные преобразователи) расхода.
В системах измерения встречаются ультразвуковые, индукционные, вихревые аналоговые расходомеры и термомассовые расходомеры. Дискретные датчики расхода могут быть выполнены в виде крыльчатки, вращающейся в потоке жидкости. С такого датчика сигнал выдается в виде импульса при совершении каждого полного ее оборота. Считая эти импульсы можно организовать учет количества жидкости, прошедшей через прибор за определенное время. Такие датчики могут называться также сигнализаторами расхода.
Сигнализаторы также могут быть выполнены в виде заслонки, установленной поперек потока. Чем больше расход, тем больше давление потока на ее поверхность и больший угол ее отклонения от вертикального положения. При определенном угле отклонения срабатывает контакт и выдается сигнал о наличии расхода. Такие сигнализаторы расхода часто называют реле протока.
Датчики (измерительные преобразователи) уровня жидкости
Аналоговые датчики уровня – это те же датчики дифференциального давления, т.к. любой столб жидкости создает разность давлений между верхним и нижним уровнем.
Дискретные датчики уровня (фактически это датчики наличия жидкости) построены на принципе электропроводности жидкости и состоят из минимум двух электродов, через которые проходит электрический ток. При погружении их в воду образуется замкнутая электрическая цепь. В частности такие системы применяются в дренажных приямках для измерения наличия уровня в них воды.
Датчики (измерительные преобразователи) качества воздуха.
В системах вентиляции и кондиционирования воздуха все чаще поддерживаются не только температура и влажность воздуха, но и его качество, т.е. количество углекислого газа, озона, таких примесей как, сигаретный дым, запах пота, алкоголя, выхлопных газов и т.д. Для измерения этих параметров применяются датчики определяющие наличие в воздухе каких-то отдельных веществ, например углекислого газа, и датчики анализирующие качество воздуха по комплексу присутствующих в нем примесей.
Такие датчики также могут быть аналоговыми и дискретными.
Остались вопросы? Не стесняйтесь задавать их:ФОРМА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
1. Типовые компоненты и датчики контрольно-диагностических средств/ М – во образования Респ. Беларусь, Учреждение образования «Полоц. гос. ун – т». – Новополоцк: ПГУ, 2004. – 382
2. Фрайден Д. Современные датчики/ Дж. Фрайден. – Москва: Техносфера, 2005. – 588 с. – (Мир электроники)
4. Школа автоматчиков. УРОК №5. Основы автоматизации
5. Бейлина, Р.А. Микроэлектронные датчики/ Р.А. Бейлина, Ю.Г. Грозберг, Д.А. Довгяло. Новополоцк: ПГУ, 2001. – 307 с.
Аналоговые датчики: применение, способы подключения к контроллеру
В процессе автоматизации технологических процессов для управления механизмами и агрегатами приходится сталкиваться с измерениями различных физических величин. Это может быть температура, давление и расход жидкости или газа, частота вращения, сила света информация о положении частей механизмов и многое другое. Эта информация получается с помощью датчиков. Вот, сначала о положении частей механизмов.
Дискретные датчики
Самый простой датчик – обычный механический контакт: дверь открыли – контакт разомкнулся, закрыли – замкнулся. Такой нехитрый датчик, равно как и приведенный алгоритм работы, часто применяется в охранных сигнализациях. Для механизма с поступательным движением, который имеет два положения, например водопроводная задвижка, понадобится уже два контакта: замкнулся один контакт – задвижка закрыта, замкнулся другой – закрыта.
Более сложный алгоритм поступательного движения имеет механизм закрытия прессформы термопласт автомата. Изначально прессформа открыта, это исходное положение. В этом положении из прессформы извлекаются готовые изделия. Далее рабочий закрывает защитное ограждение и прессформа начинает закрываться, начинается новый рабочий цикл.
Расстояние между половинами прессформы достаточно велико. Поэтому сначала прессформа движется быстро, а на некотором расстоянии до смыкания половин, срабатывает концевик, скорость движения значительно уменьшается и прессформа плавно закрывается.
Такой алгоритм позволяет избежать удара при смыкании прессформы, иначе ее просто можно расколотить на мелкие кусочки. Такое же изменение скорости происходит и при открывании прессформы. Здесь уже двумя контактными датчиками не обойтись.
Таким образом, датчики на основе контакта являются дискретными или бинарными, имеют два положения, замкнут – разомкнут или 1 и 0. Другими словами можно сказать, что событие произошло или нет. В приведенном выше примере, контактами «улавливаются» несколько точек: начало движения, точка снижения скорости, конец движения.
В геометрии точка не имеет никаких размеров, просто точка и все. Она может либо быть (на листе бумаги, в траектории движения, как в нашем случае) или ее попросту нет. Поэтому для обнаружения точек применяются именно дискретные датчики. Может быть сравнение с точкой здесь не очень уместно, ведь в практических целях пользуются величиной точности срабатывания дискретного датчика, а точность эта намного больше геометрической точки.
Но сам по себе механический контакт вещь ненадежная. Поэтому везде, где это возможно, механические контакты заменяются бесконтактными датчиками. Самый простой вариант это герконы: магнит приблизился, контакт замкнулся. Точность срабатывания геркона оставляет желать лучшего, применять такие датчики как раз только для определения положения дверей.
Более сложным и точным вариантом следует считать различные бесконтактные датчики. Если металлический флажок вошел в прорезь, то датчик сработал. В качестве примера таких датчиков можно привести датчики БВК (Бесконтактный Выключатель Конечный) различных серий. Точность срабатывания (дифференциал хода) таких датчиков 3 миллиметра.
Рисунок 1. Датчик серии БВК
Напряжение питания датчиков БВК 24В, ток нагрузки 200мА, что вполне достаточно для подключения промежуточных реле для дальнейшего согласования со схемой управления. Именно так используются датчики БВК в различном оборудовании.
Кроме датчиков БВК применяются также датчики типов БТП, КВП, ПИП, КВД, ПИЩ. Каждая серия имеет несколько типов датчиков, обозначаемых цифрами, например, БТП-101, БТП-102, БТП-103, БТП-211.
Все упомянутые датчики являются бесконтактными дискретными, их основное назначение определение положения частей механизмов и агрегатов. Естественно, что этих датчиков намного больше, обо всех в одной статье не написать. Еще более распространены и до сих пор находят широкое применение различные контактные датчики.
Применение аналоговых датчиков
Кроме дискретных датчиков в системах автоматизации широкое применение находят аналоговые датчики. Их назначение – получение информации о различных физических величинах, причем не, просто так вообще, а в реальном масштабе времени. Точнее преобразование физической величины (давление, температура, освещенность, расход, напряжение, ток) в электрический сигнал пригодный для передачи по линиям связи в контроллер и дальнейшая его обработка.
Аналоговые датчики располагаются, как правило, достаточно далеко от контроллера, отчего часто их называют полевыми устройствами. Этот термин часто применяется в технической литературе.
Аналоговый датчик, как правило, состоит из нескольких частей. Самая главная часть это чувствительный элемент – сенсор. Его назначение перевести измеряемую величину в электрический сигнал. Но сигнал, получаемый от сенсора, как правило, невелик. Для получения сигнала, пригодного для усиления, сенсор чаще всего включается в мостовую схему – мостик Уитстона.
Рисунок 2. Мостик Уитстона
Отклонение стрелки прибора в ту или иную сторону позволяет определить направление вращения резистора R2. Величина измеряемого сопротивления определяется по шкале, совмещенной с ручкой резистора R2. Условием равновесия моста является равенство соотношений R1/R2 и Rx/R3. В этом случае между точками BC получается нулевая разность потенциалов, и ток через гальванометр V не протекает.
Сопротивление резисторов R1 и R3 подобрано очень точно, их разброс должен быть минимален. Только в этом случае даже небольшой разбаланс моста вызывает достаточно заметное изменение напряжения диагонали BC. Именно это свойство моста используется для подключения чувствительных элементов (сенсоров) различных аналоговых датчиков. Ну, а дальше все просто, дело техники.
Почему именно ток? Дело в том, что выходные каскады аналоговых датчиков построены на базе источников тока. Это позволяет избавиться от влияния на выходной сигнал сопротивления соединительных линий, пользоваться соединительными линиями большой длины.
Дальнейшее преобразование достаточно просто. Токовый сигнал преобразуется в напряжение, для чего достаточно ток пропустить через резистор известного сопротивления. Падение напряжения на измерительном резисторе получается по закону Ома U=I*R.
Например, для тока 10 мА на резисторе сопротивлением 100Ом получится напряжение 10*100=1000мВ, аж прямо целый 1 вольт! При этом выходной ток датчика не зависит от сопротивления соединительных проводов. В разумных, конечно, пределах.
Подключение аналоговых датчиков
Полученное на измерительном резисторе напряжение легко преобразовать в цифровой вид, пригодный для ввода в контроллер. Преобразование выполняется с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП.
Цифровые данные в контроллер передаются последовательным или параллельным кодом. Все зависит от конкретной схемы включения. Упрощенная схема подключения аналогового датчика показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Подключение аналогового датчика (чтобы увеличить нажмите на картинку)
К контроллеру подключаются исполнительные механизмы, либо сам контроллер подключается к компьютеру, входящему в систему автоматизации.
Естественно, что аналоговые датчики имеют законченную конструкцию, одним из элементов которой является корпус с присоединительными элементами. В качестве примера на рисунке 4 показан внешний вид датчика избыточного давления типа Зонд-10.
Рисунок 4. Датчик избыточного давления Зонд-10
В нижней части датчика можно видеть присоединительную резьбу для подключения к трубопроводу, а справа под черной крышкой находится разъем для подключения линии связи с контроллером.
Герметизация резьбового соединения производится с помощью шайбы из отожженной меди (входит в комплект поставки датчика), а отнюдь не подмоткой из фум-ленты или льна. Делается это для того, чтобы при установке датчика не деформировать расположенный внутри сенсорный элемент.
Выходные сигналы аналоговых датчиков
Согласно стандартам существует три диапазона токовых сигналов: 0…5мА, 0…20мА и 4…20мА. В чем их отличие, и какие особенности?
Чаще всего зависимость выходного тока прямо пропорциональна измеряемой величине, например, чем выше давление в трубе, тем больше ток на выходе датчика. Хотя иногда применяется инверсное включение: большей величине выходного тока соответствует минимальное значение измеряемой величины на выходе датчика. Все зависит от типа применяемого контроллера. Некоторые датчики имеют даже переключение с прямого на инверсный сигнал.
Выходной сигнал диапазона 0…5мА весьма мал, и поэтому подвержен действию помех. Если сигнал такого датчика колеблется при неизменном значении измеряемого параметра, то есть рекомендации параллельно выходу датчика установить конденсатор емкостью 0.1…1мкФ. Более устойчивым является токовый сигнал в диапазоне 0…20мА.
Но оба этих диапазона нехороши тем, что ноль в начале шкалы не позволяет однозначно определить, что же произошло. Или измеряемый сигнал на самом деле принял нулевой уровень, что в принципе возможно, или просто оборвалась линия связи? Поэтому от использования этих диапазонов стараются, по возможности, отказаться.
Более надежным считается сигнал аналоговых датчиков с выходным током в диапазоне 4…20мА. Помехозащищенность его достаточно высокая, а нижний предел, даже если измеряемый сигнал имеет нулевой уровень, будет 4мА, что позволяет говорить о том, что линия связи не оборвана.
Еще одной хорошей особенностью диапазона 4…20мА является то, что датчики можно подключать всего по двум проводам, поскольку именно таким током питается сам датчик. Это его ток потребления и одновременно измерительный сигнал.
Источник питания датчиков диапазона 4…20мА включается, как показано на рисунке 5. При этом датчики Зонд-10, как и многие другие, по паспорту имеют широкий диапазон напряжения питания 10…38В, хотя чаще всего применяются стабилизированные источники с напряжением 24В.
Рисунок 5. Подключение аналогового датчика с внешним источником питания
На этой схеме присутствуют следующие элементы и обозначения. Rш – резистор измерительного шунта, Rл1 и Rл2 – сопротивления линий связи. Для повышения точности измерения в качестве Rш должен использоваться прецизионный измерительный резистор. Прохождение тока от источника питания показано стрелками.
В случае, если контроллер содержит источник питания 24В, то подключение датчика или измерительного преобразователя возможно по схеме, показанной на рисунке 6.
Рисунок 6. Подключение аналогового датчика к контроллеру с внутренним источником питания
На этой схеме показан еще один элемент – балластный резистор Rб. Его назначение защита измерительного резистора при замыкании линии связи или неисправности аналогового датчика. Установка резистора Rб необязательна, хотя и желательна.
Кроме различных датчиков токовый выход имеют также измерительные преобразователи, которые в системах автоматизации используются достаточно часто.
Измерительный преобразователь – устройство для преобразования уровней напряжения, например, 220В или тока в несколько десятков или сотен ампер в токовый сигнал 4…20мА. Здесь просто происходит преобразование уровня электрического сигнала, а не представление некоторой физической величины (скорость, расход, давление) в электрическом виде.
Но единственным датчиком дело, как правило, не обходится. Одними из самых популярных измерения являются измерения температуры и давления. Количество таких точек на современных производствах может достигать нескольких десятков тысяч. Соответственно и количество датчиков тоже велико. Поэтому к одному контроллеру чаще всего подключается сразу несколько аналоговых датчиков. Конечно же, не сразу несколько тысяч, хорошо, если десяток – другой. Такое подключение показано на рисунке 7.
Рисунок 7. Подключение нескольких аналоговых датчиков к контроллеру
На этом рисунке показано, как из токового сигнала получается напряжение, пригодное для преобразования в цифровой код. Если таких сигналов несколько, то обрабатываются они не все сразу, а разделяются по времени, мультиплексируются, в противном случае на каждый канал пришлось бы ставить отдельный АЦП.
Для этой цели контроллер имеет схему коммутации каналов. Функциональная схема коммутатора показана на рисунке 8.
Рисунок 8. Коммутатор каналов аналоговых датчиков (картинка кликабельна)
Сигналы токовой петли, преобразованные в напряжение на измерительном резисторе (UR1…URn) поступают на вход аналогового коммутатора. Управляющие сигналы поочередно пропускают на выход один из сигналов UR1…URn, которые усиливаются усилителем, и поочередно поступают на вход АЦП. Преобразованное в цифровой код напряжение поступает в контроллер.
Схема, конечно, очень упрощенная, но принцип мультиплексирования в ней рассмотреть вполне возможно. Примерно так построен модуль ввода аналоговых сигналов контроллеров МСТС (микропроцессорная система технических средств) выпускавшихся смоленским ПК «Пролог». Внешний вид контроллера МСТС показан на рисунке 9.
Рисунок 9. Контроллер МСТС
Выпуск таких контроллеров давно уже прекращен, хотя в некоторых местах, далеко не лучших, эти контроллеры служат до сих пор. На смену этим музейным экспонатам приходят контроллеры новых моделей, в основном импортного (китайского) производства.
Для подключения токовых датчиков 4…20мА рекомендуется использовать двухпроводный экранированный кабель с сечением жил не менее 0,5 мм2.
Если контроллер смонтирован в металлическом шкафу, то экранирующие оплетки рекомендуется подключать к точке заземления шкафа. Длина соединительных линий может достигать двух с лишним километров, что рассчитывается по соответствующим формулам. Считать здесь ничего не будем, но поверьте, что это так.
Новые датчики, новые контроллеры
С приходом новых контроллеров появились и новые аналоговые датчики, работающие по протоколу HART (Highway Addressable Remote Transducer), что переводится как «Измерительный преобразователь, адресуемый дистанционно через магистраль».
Рисунок 10. Выходной сигнал аналогового датчика по протоколу HART
На рисунке показан аналоговый сигнал, а вокруг него, как змея, извивается синусоида. Это и есть частотно – модулированный сигнал. Но это еще вовсе не цифровой сигнал, его еще предстоит распознать. На рисунке заметно, что частота синусоиды при передаче логического нуля выше (2,2КГц), чем при передаче единицы (1,2КГц). Передача этих сигналов осуществляется током амплитудой ±0,5мА синусоидальной формы.
Известно, что среднее значение синусоидального сигнала равно нулю, поэтому, на выходной ток датчика 4…20мА передача цифровой информации влияния не оказывает. Такой режим используется при настройке датчиков.
Связь по протоколу HART осуществляется двумя способами. В первом случае, стандартном, по двухпроводной линии могут обмениваться информацией только два устройства, при этом выходной аналоговый сигнал 4…20мА зависит от измеряемой величины. Такой режим применяется при настройке полевых устройств (датчиков).
Во втором случае к двухпроводной линии может быть подключено до 15 датчиков, количество которых определяется параметрами линии связи и мощностью блока питания. Это режим многоточечной связи. В этом режиме каждый датчик имеет свой адрес в диапазоне 1…15, по которому к нему обращается устройство управления.
Датчик с адресом 0 от линии связи отключен. Обмен данными между датчиком и устройством управления в многоточечном режиме осуществляется только частотным сигналом. Токовый сигнал датчика зафиксирован на необходимом уровне и не изменяется.
Под данными в случае многоточечной связи подразумеваются не только собственно результаты измерений контролируемого параметра, но еще и целый набор всевозможной служебной информации.
В первую очередь это адреса датчиков, команды управления, параметры настройки. И вся эта информация передается по двухпроводным линиям связи. А нельзя ли избавиться и от них? Правда, делать это надо осторожно, лишь в тех случаях, когда беспроводное соединение не сможет повлиять на безопасность контролируемого процесса.
Оказывается, избавиться от проводов можно. Уже в 2007 году был опубликован Стандарт WirelessHART, средой передачи является нелицензируемая частота 2,4ГГц, на которой работают многие компьютерные беспроводные устройства, в том числе и беспроводные локальные сети. Поэтому и WirelessHART-устройства можно использовать без всяких ограничений. На рисунке 11 показана беспроводная сеть WirelessHART.
Рисунок 11. Беспроводная сеть WirelessHART
Вот такие технологии пришли на смену старой аналоговой токовой петле. Но и она свои позиции не сдает, широко применяется везде, где это возможно.