Analoginiai jutikliai: taikymas, prijungimo prie valdiklio būdai

Automatizuojant mechanizmus ir mazgus valdančius technologinius procesus, reikia spręsti apie įvairių fizikinių dydžių matavimus. Tai gali būti skysčio ar dujų temperatūra, slėgis ir srautas, sukimosi greitis, šviesos intensyvumas, informacija apie mechanizmų dalių padėtį ir daug daugiau. Ši informacija gaunama naudojant jutiklius. Čia pirmiausia apie mechanizmų dalių padėtį.

Diskretiniai jutikliai

Paprasčiausias jutiklis yra normalus mechaninis kontaktas: durys buvo atidarytos - kontaktas atidarytas, uždarytas - uždarytas. Toks paprastas jutiklis, kaip ir aukščiau nurodytas veikimo algoritmas, dažnai naudojamas apsaugos signalizacijose. Mechanizmui su transliaciniu judesiu, kuris turi dvi pozicijas, pavyzdžiui, vandens vožtuvą, reikia dviejų kontaktų: vienas kontaktas uždarytas - vožtuvas uždarytas, kitas uždarytas - uždarytas.

Sudėtingesnis vertimo algoritmas turi termoplastinio formavimo mašinos uždarymo mechanizmą. Iš pradžių pelėsis yra atviras, tai yra pradinė padėtis. Šioje padėtyje gatavi produktai pašalinami iš pelėsio. Toliau darbuotojas uždaro apsauginę tvorą ir pelėsis pradeda užsidaryti, prasideda naujas darbo ciklas.

Atstumas tarp liejimo formų pusių yra gana didelis. Todėl iš pradžių pelėsis greitai juda ir tam tikru atstumu, kol pusės neuždaromos, suaktyvinamas priekaba, žymiai sumažinamas judėjimo greitis ir pelė sklandžiai užsidaro.

Šis algoritmas leidžia išvengti smūgio uždarant pelėsį, kitaip jį galima tiesiog susmulkinti į mažus gabalėlius. Tas pats greičio pokytis įvyksta atidarius pelėsį. Čia negali padaryti du kontaktiniai jutikliai.

Taigi jutikliai, kurių pagrindas yra kontaktas, yra diskretiniai arba dvejetainiai, turi dvi pozicijas, uždaras - atidarytas arba 1 ir 0. Kitaip tariant, mes galime pasakyti, kad įvykis įvyko, ar ne. Aukščiau pateiktame pavyzdyje kontaktus „užfiksuoja“ keli taškai: judėjimo pradžia, greičio mažėjimo taškas, judėjimo pabaiga.

Geometrijoje taškas neturi matmenų, tik taškas ir viskas. Tai gali būti arba (ant popieriaus lapo, judesio trajektorijoje, kaip mūsų atveju), arba jo paprasčiausiai nėra. Todėl taškams aptikti naudojami atskiri jutikliai. Gal palyginimas su tašku čia nėra labai tinkamas, nes praktiniais tikslais jie naudoja diskrečiojo jutiklio tikslumo vertę, o šis tikslumas yra daug daugiau nei geometrinis taškas.

Tačiau vien tik mechaninis kontaktas yra nepatikimas dalykas. Todėl, kur įmanoma, mechaninius kontaktus keičia artumo jutikliai. Paprasčiausias variantas yra nendrinis jungiklis: magnetas uždarytas, kontaktas uždarytas. Nendrinio jungiklio veikimo tikslumas palieka daug noro, o naudoti tokius jutiklius reikia tik norint nustatyti durų padėtį.

Sudėtingesniu ir tikslesniu variantu reikėtų laikyti įvairius artumo jutiklius. Jei metalinė vėliava pateko į angą, tada jutiklis dirbo. Kaip tokių jutiklių pavyzdį galima paminėti įvairių serijų BVK jutiklius (bekontakčius galinius jungiklius). Tokių jutiklių veikimo tikslumas (eigos skirtumas) yra 3 milimetrai.

1 paveikslas. BVK serijos jutiklis

BVK jutiklių maitinimo įtampa yra 24 V, apkrovos srovė yra 200 mA, to visiškai pakanka, kad būtų galima prijungti tarpines reles tolimesniam derinimui su valdymo grandine. Taip įvairioje įrangoje naudojami BVK jutikliai.

Be BVK jutiklių, taip pat naudojami BTP, KVP, PIP, KVD, FISH jutikliai. Kiekvienoje serijoje yra keli jutiklių tipai, žymimi skaičiais, pavyzdžiui, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Visi paminėti jutikliai yra bekontakčiai diskretiniai, jų pagrindinis tikslas yra nustatyti mechanizmų dalių ir mazgų padėtį. Natūralu, kad šių jutiklių yra žymiai daugiau, apie juos negalima rašyti viename straipsnyje. Įvairūs kontaktiniai jutikliai vis dar yra labiau paplitę ir vis dar plačiai naudojami.

Analoginių jutiklių naudojimas

Be atskirų jutiklių automatikos sistemose, plačiai naudojami ir analoginiai jutikliai. Jų tikslas yra gauti informacijos apie įvairius fizinius kiekius ir ne tik kaip visai, bet ir realiu laiku. Tiksliau, fizinio dydžio (slėgio, temperatūros, apšvietimo, srauto, įtampos, srovės) pavertimas elektriniu signalu, tinkančiu perduoti per ryšio linijas į valdiklį ir toliau jį apdoroti.

Analoginiai jutikliai paprastai yra gana toli nuo valdiklio, todėl jie dažnai vadinami lauko prietaisai. Šis terminas dažnai naudojamas techninėje literatūroje.

Analoginis jutiklis paprastai susideda iš kelių dalių. Svarbiausia dalis yra jautrus elementas - jutiklis. Jos tikslas - išmatuotą vertę paversti elektriniu signalu. Bet iš jutiklio gaunamas signalas paprastai yra mažas. Norint gauti stiprinimui tinkamą signalą, jutiklis dažniausiai įtraukiamas į tilto grandinę - „Wheatstone“ tiltas.

2 paveikslas. „Wheatstone“ tiltas

Pradinis tilto grandinės tikslas yra tikslus atsparumo matavimas. Prie AD tilto įstrižainės yra prijungtas nuolatinės srovės šaltinis. Jautrus galvanometras su vidurio tašku, kurio skalės viduryje yra nulis, yra prijungtas prie kitos įstrižainės. Norėdami išmatuoti rezistoriaus Rx pasipriešinimą sukdami apdailos rezistorių R2, subalansuokite tiltelį, galvanometro rodyklę nustatykite į nulį.

Įrenginio rodyklės nukrypimas viena ar kita kryptimi leidžia nustatyti rezistoriaus R2 sukimosi kryptį. Išmatuoto pasipriešinimo vertė nustatoma skalėje kartu su rezistoriaus R2 rankena. Tilto pusiausvyros sąlyga yra R1 / R2 ir Rx / R3 santykio lygybė. Tokiu atveju tarp taškų BC gaunamas nulinis potencialo skirtumas, o srovė netekėja per galvanometrą V.

Rezistorių R1 ir R3 varža parinkta labai tiksliai, jų pasklidimas turėtų būti minimalus. Tik tokiu atveju net nedidelis tilto disbalansas sukelia pastebimą BC įstrižainės įtampos pokytį. Būtent ši tilto savybė yra naudojama įvairių analoginių jutiklių jautriems elementams (jutikliams) sujungti. Na, tada viskas paprasta, technologijos klausimas.

Norint naudoti iš jutiklio gautą signalą, reikalingas tolesnis apdorojimas, - stiprinimas ir pavertimas išvesties signalu, tinkamu perduoti ir apdoroti valdymo grandine. valdiklis. Dažniausiai analoginių jutiklių išėjimo signalas yra srovė (analoginės srovės kilpa), rečiau įtampa.

Kodėl būtent dabartinė? Faktas yra tas, kad analoginių jutiklių išvesties etapai yra pagrįsti dabartiniais šaltiniais. Tai leidžia atsikratyti jungiamųjų linijų atsparumo išėjimo signalui, naudoti didelio ilgio jungiamąsias linijas.

Tolesnis konvertavimas yra gana paprastas. Srovės signalas paverčiamas įtampa, kuriai pakanka perduoti srovę per žinomo atsparumo varžą. Įtampos kritimas per matavimo varžą gaunamas pagal Ohmo dėsnį U = I * R.

Pavyzdžiui, už 10 mA srovės varžą, kurio varža 100 omų, gausite 10 * 100 = 1000 mV įtampą, dešinėje yra visas 1 voltas! Tokiu atveju jutiklio išėjimo srovė nepriklauso nuo jungiamųjų laidų varžos. Žinoma, neviršydamas pagrįstų ribų.

Analoginių jutiklių prijungimas

Įtampą, gautą matuojant rezistorių, galima lengvai paversti skaitmenine forma, tinkama įvesti į valdiklį. Konversija atliekama naudojant analoginis-skaitmeninis keitikliai ADC.

Skaitmeniniai duomenys perduodami valdikliui serijiniu arba lygiagrečiu kodu.Viskas priklauso nuo konkrečios perjungimo grandinės. Supaprastinta analoginio jutiklio prijungimo schema parodyta 3 paveiksle.

3 pav. Analoginio jutiklio prijungimas (paspauskite ant paveikslėlio, kad padidintumėte)

Pavaros jungiamos prie valdiklio arba pats valdiklis yra prijungtas prie kompiuterio, kuris yra automatikos sistemos dalis.

Natūralu, kad analoginiai jutikliai turi gatavą dizainą, kurio vienas iš elementų yra korpusas su jungiamaisiais elementais. Pavyzdžiui, 4 paveiksle parodytas „Probe-10“ tipo manometro slėgio jutiklio vaizdas.

4 paveikslas. Jutiklio viršslėgio zondas-10

Jutiklio apačioje galite pamatyti jungiamąjį sriegį, skirtą prijungti prie dujotiekio, o dešinėje po juodu dangteliu yra jungtis, skirta sujungti ryšio liniją su valdikliu.

Srieginė jungtis yra uždaroma poveržle, pagaminta iš atkaitinto vario (įtraukta į jutiklio komplektaciją), ir jokiu būdu nėra naudojama apvijai iš fum juostos ar lino. Tai atliekama taip, kad montuodami jutiklį nedeformuokite jutiklio elemento, esančio jo viduje.

Analoginių jutiklių išėjimai

Pagal standartus yra trys srovės signalų diapazonai: 0 ... 5 mA, 0 ... 20 mA ir 4 ... 20 mA. Kuo jie skiriasi ir kokios yra jų savybės?

Dažniausiai išėjimo srovės priklausomybė yra tiesiogiai proporcinga išmatuotajai vertei, pavyzdžiui, kuo didesnis slėgis vamzdyje, tuo didesnė srovė jutiklio išvestyje. Nors kartais naudojamas atvirkštinis perjungimas: didesnė išėjimo srovės vertė atitinka mažiausią išmatuotos vertės daviklio išvesties vertę. Viskas priklauso nuo naudojamo valdiklio tipo. Kai kurie jutikliai netgi pereina iš tiesioginio į atvirkštinį.

0 ... 5 mA diapazono išėjimo signalas yra labai mažas, todėl jį gali trikdyti. Jei tokio jutiklio signalas svyruoja esant pastoviajai išmatuoto parametro vertei, tai yra, rekomenduojama lygiagrečiai jutiklio išėjimui sumontuoti kondensatorių, kurio talpa yra 0,1 ... 1 μF. Labiau stabilus yra dabartinis signalas diapazone 0 ... 20mA.

Bet abu šie diapazonai nėra geri, nes nulis skalės pradžioje neleidžia vienareikšmiškai nustatyti, kas nutiko. O gal išmatuotas signalas iš tikrųjų užėmė nulinį lygį, o tai iš principo įmanoma, arba tiesiog buvo nutraukta ryšio linija? Todėl jie stengiasi, jei įmanoma, atsisakyti šių diapazonų naudojimo.

Analogiškų jutiklių, kurių išėjimo srovė yra 4 ... 20 mA, signalas laikomas patikimesniu. Jo atsparumas triukšmui yra gana didelis, o apatinė riba, net jei išmatuoto signalo lygis yra lygus nuliui, bus 4 mA, o tai leidžia pasakyti, kad ryšio linija nėra nutrūkusi.

Kita gera 4 ... 20 mA diapazono savybė yra tai, kad jutiklius galima prijungti tik dviem laidais, nes pats jutiklis maitinamas šia srove. Tai yra dabartinis jo suvartojimas ir tuo pačiu metu matavimo signalas.

Jutiklių, kurių diapazonas yra 4 ... 20 mA, maitinimas yra įjungtas, kaip parodyta 5 paveiksle. Tuo pačiu metu „Zond-10“ jutikliai, kaip ir daugelis kitų, pagal duomenų lapą turi platų maitinimo įtampą - 10 ... 38 V, nors jie dažniausiai būna. stabilizuoti šaltiniai kurių įtampa 24V.

5 pav. Analoginio jutiklio prijungimas prie išorinio maitinimo šaltinio

Šioje diagramoje yra šie elementai ir žymėjimas. Rш yra matavimo šunto rezistorius, Rl1 ir Rl2 yra ryšių linijų varžos. Norint padidinti matavimų tikslumą, kaip Rш turėtų būti naudojamas tikslus matavimo rezistorius. Srovės praleidimą iš energijos šaltinio rodo rodyklės.

Nesunku pastebėti, kad maitinimo šaltinio išėjimo srovė praeina iš + 24 V gnybto, per Rl1 liniją ji pasiekia + AO2 jutiklio gnybtą, praeina per jutiklį ir per jutiklio išvesties gnybtą - AO2, Rl2 jungiamąją liniją, rezistorius Rø grįžta į -24 V maitinimo gnybtą. Viskas, grandinė uždaryta, srovė teka.

Jei valdiklyje yra 24 V maitinimo šaltinis, tada pagal 6 paveiksle pateiktą schemą galima prijungti jutiklį ar matavimo keitiklį.

6 pav. Analoginio jutiklio prijungimas prie valdiklio su vidiniu maitinimo šaltiniu

Ši diagrama rodo kitą elementą - balasto varžą Rb. Jos tikslas yra apsaugoti matavimo rezistorių, kai ryšio linija uždaroma arba analoginio jutiklio veikimas sutrinka. RB rezistoriaus montavimas yra neprivalomas, nors ir pageidautinas.

Be įvairių jutiklių, matavimo keitikliai, kurie dažnai naudojami automatikos sistemose, taip pat turi srovės išėjimą.

Matavimo keitiklis - įtaisas, skirtas įtampos lygiams, pavyzdžiui, 220 V arba kelių dešimčių ar šimtų amperų srovei, paversti 4 ... 20 mA srovės signalu. Čia paprasčiausiai įvyksta elektrinio signalo lygio keitimas, o ne tam tikro fizikinio dydžio (greičio, srauto greičio, slėgio) pavaizdavimas elektrine forma.

Tačiau vienintelio jutiklio, kaip taisyklė, nepakanka. Vienas iš populiariausių matavimų yra temperatūros ir slėgio matavimai. Tokių taškų skaičius šiuolaikinėje gamyboje gali siekti kelias dešimtis tūkstančių. Atitinkamai, jutiklių skaičius taip pat yra didelis. Todėl prie vieno valdiklio dažniausiai vienu metu jungiami keli analoginiai jutikliai. Žinoma, ne keli tūkstančiai iš karto, gerai, jei keliolika skiriasi. Toks ryšys parodytas 7 paveiksle.

7 pav. Kelių analoginių jutiklių prijungimas prie valdiklio

Šis paveikslas parodo, kaip iš srovės signalo gaunama įtampa, tinkama konvertuoti į skaitmeninį kodą. Jei yra keli tokie signalai, tada jie nėra apdorojami vienu metu, bet yra atskirti pagal laiką, multipleksuojami, nes priešingu atveju kiekviename kanale turėtų būti dedamas atskiras ADC.

Šiuo tikslu valdiklis turi grandinės perjungimo kanalus. Jungiklio funkcinė schema parodyta 8 paveiksle.

8 pav. Analoginių jutiklių kanalų jungiklis (paspaudžiamas paveikslėlis)

Srovės kilpos signalai, paversti įtampa matavimo rezistoriuje (UR1 ... URn), tiekiami į analoginio jungiklio įvestį. Valdymo signalai pakaitomis perduoda signalą UR1 ... URn į išėjimą, kurį stiprina stiprintuvas, ir pakaitomis tiekia į ADC įėjimą. Į skaitmeninį kodą paversta įtampa tiekiama valdikliui.

Schema, žinoma, labai supaprastinta, tačiau joje dauginimo principą visiškai įmanoma apsvarstyti. Taip buvo pastatytas modulis, skirtas analoginių signalų įvedimui iš MSTS valdiklių (techninės įrangos mikroprocesorinė sistema), kurį pagamino „Smolensk PC Prolog“. MCTC valdiklio išvaizda parodyta 9 paveiksle.

9 paveikslas. ICTS valdiklis

Tokių valdytojų paleidimas jau seniai nutrauktas, nors kai kuriose vietose, toli gražu ne geriausiose vietose, šie kontrolieriai vis dar tarnauja. Šiuos muziejaus eksponatus keičia naujų modelių, daugiausia importuotų (kinų), kontrolieriai.

Norint prijungti 4 ... 20 mA srovės jutiklius, rekomenduojama naudoti ekranuotą dviejų laidų kabelį, kurio šerdies skerspjūvis ne mažesnis kaip 0,5 mm2.

Jei valdiklis sumontuotas metalinėje spintelėje, rekomenduojama ekrano ekranus jungti prie korpuso įžeminimo taško. Jungiamųjų linijų ilgis gali siekti daugiau nei du kilometrus, o tai apskaičiuojama pagal atitinkamas formules. Mes nieko čia nesvarstysime, bet patikėkit, kad taip.

Nauji jutikliai, nauji valdikliai

Atsiradus naujiems valdytojams, nauji HART analoginiai jutikliai (Greitkelio adresinis nuotolinis keitiklis), kuris verčiamas kaip „Matavimo keitiklis, adresuojamas nuotoliniu būdu per bagažinę“.

Jutiklio (lauko įrenginio) išėjimo signalas yra analoginis srovės signalas diapazone 4 ... 20 mA, ant kurio dedamas dažnio moduliuoto (FSK - Frequency Shift Keying) skaitmeninio ryšio signalas.

10 pav. HART analoginio jutiklio išėjimas

Paveikslėlyje parodytas analoginis signalas, o aplink jį, kaip gyvatė, sinusoidinis ritė. Tai yra dažnio moduliuotas signalas.Bet tai visai nėra skaitmeninis signalas, jis dar turi būti atpažintas. Paveiksle pastebima, kad sinusinės bangos dažnis perduodant loginį nulį yra didesnis (2,2KHz) nei perduodant vienetą (1,2KHz). Šių signalų perdavimas vykdomas srove, kurios amplitudė yra ± 0,5 mA sinusoidinės formos.

Yra žinoma, kad vidutinė sinusoidinio signalo vertė yra lygi nuliui, todėl skaitmeninės informacijos perdavimas neturi įtakos jutiklio išėjimo srovei 4 ... 20 mA. Šis režimas naudojamas nustatant jutiklius.

HART komunikacija vyksta dviem būdais. Pirmuoju atveju, standartiniai, tik du įrenginiai gali keistis informacija dviejų laidų linijoje, tuo tarpu analoginio išėjimo signalas 4 ... 20mA priklauso nuo išmatuotos vertės. Šis režimas naudojamas nustatant lauko įrenginius (jutiklius).

Antruoju atveju prie dviejų laidų linijos galima prijungti iki 15 jutiklių, kurių skaičių lemia ryšio linijos parametrai ir maitinimo šaltinio galia. Tai yra kelių lašų režimas. Šiuo režimu kiekvienas jutiklis turi savo adresą diapazone 1 ... 15, kuriuo valdymo įtaisas prie jo prieina.

Jutiklis, kurio adresas 0, yra atjungtas nuo ryšio linijos. Keitimasis duomenimis tarp jutiklio ir valdymo įtaiso daugiataškiu režimu atliekamas tik dažnio signalu. Jutiklio srovės signalas fiksuojamas reikiamu lygiu ir nesikeičia.

Daugiataškio ryšio atveju duomenys reiškia ne tik faktinius kontroliuojamo parametro matavimų rezultatus, bet ir visų rūšių paslaugų informacijos rinkinį.

Visų pirma, tai yra jutiklių adresai, valdymo komandos, nustatymai. Ir visa ši informacija perduodama per dviejų laidų ryšio linijas. Bet ar įmanoma jų atsikratyti? Tiesa, tai turėtų būti daroma atsargiai, tik tais atvejais, kai belaidis ryšys negali paveikti kontroliuojamo proceso saugumo.

Pasirodo, jūs galite atsikratyti laidų. Jau 2007 m. Buvo paskelbtas „WirelessHART Standard“, perdavimo terpė yra nelicencijuotas 2,4 GHz dažnis, kuris veikia daugelyje kompiuterių belaidžių įrenginių, įskaitant belaidžius vietinius tinklus. Todėl „WirelessHART“ įrenginius galima naudoti be jokių apribojimų. 11 paveiksle parodytas „WirelessHART“ belaidis tinklas.

11 pav. Belaidis „WirelessHART“

Šios technologijos pakeitė senąją analoginę srovės kilpą. Tačiau ji neatsisako savo pozicijos, ji yra plačiai naudojama visur, kur įmanoma.

Borisas Aladyshkinas