Sensor analog: aplikasi, kaedah sambungan kepada pengawal

Dalam proses automasi proses teknologi untuk mengendalikan mekanisme dan perhimpunan, seseorang harus berurusan dengan pengukuran pelbagai kuantiti fizikal. Ini boleh menjadi suhu, tekanan dan kadar aliran cecair atau gas, kelajuan putaran, intensiti cahaya, maklumat tentang kedudukan bahagian mekanisme, dan banyak lagi. Maklumat ini diperoleh menggunakan sensor. Di sini, pertama mengenai kedudukan bahagian mekanisme.

Sensor diskret

Sensor yang paling mudah adalah hubungan mekanikal biasa: pintu dibuka - kenalan dibuka, tertutup - tertutup. Pengesan mudah seperti itu, dan juga algoritma operasi di atas, sering digunakan dalam penggera keselamatan. Untuk mekanisme pergerakan translasi, yang mempunyai dua kedudukan, sebagai contoh, injap air, dua kenalan diperlukan: satu kenalan ditutup - injap ditutup, yang lain ditutup - tertutup.

Algoritma translasi yang lebih kompleks mempunyai mekanisme untuk menutup mesin acuan termoplastik. Pada mulanya, acuan terbuka, ini adalah kedudukan permulaan. Dalam kedudukan ini, produk siap dibuang dari acuan. Seterusnya, pekerja menutup pagar perlindungan dan acuan mula ditutup, kitaran kerja baru bermula.

Jarak antara bahagian acuan cukup besar. Oleh itu, pada mulanya acuan bergerak dengan cepat, dan pada jarak tertentu sehingga bahagian-bahagiannya ditutup, treler itu dicetuskan, kelajuan pergerakan berkurang dengan ketara dan acuannya lancar.

Algoritma ini membolehkan anda untuk mengelakkan pukulan ketika menutup acuan, jika tidak, ia hanya boleh dicincang dalam kepingan kecil. Perubahan yang sama dalam kelajuan berlaku apabila acuan dibuka. Di sini, dua sensor sentuh tidak boleh dilakukan.

Oleh itu, sensor berdasarkan hubungan adalah diskret atau binari, mempunyai dua kedudukan, tertutup - terbuka atau 1 dan 0. Dengan kata lain, kita boleh mengatakan bahawa peristiwa itu berlaku atau tidak. Dalam contoh di atas, beberapa titik "ditangkap" oleh kenalan: permulaan gerakan, titik penurunan dalam kelajuan, akhir pergerakan.

Dalam geometri, satu titik tidak mempunyai dimensi, hanya satu titik dan itu sahaja. Ia sama ada (di atas kertas, dalam trajektori pergerakan, seperti dalam kes kita), atau ia hanya tidak wujud. Oleh itu, sensor diskret digunakan untuk mengesan mata. Mungkin perbandingan dengan titik di sini tidak sesuai, kerana untuk tujuan praktikal mereka menggunakan nilai ketepatan sensor diskret, dan ketepatan ini lebih daripada titik geometrik.

Tetapi hubungan mekanikal sahaja adalah perkara yang tidak boleh dipercayai. Oleh itu, di mana mungkin, hubungan mekanikal digantikan oleh sensor jarak. Opsyen yang paling mudah ialah suis buluh: magnetnya rapat, kenalan ditutup. Ketepatan operasi suis buluh meninggalkan banyak yang diinginkan, untuk menggunakan sensor sedemikian hanya untuk menentukan kedudukan pintu.

Pilihan yang lebih kompleks dan tepat perlu dipertimbangkan pelbagai sensor jarak. Jika bendera logam memasuki slot, sensor itu berfungsi. Sebagai contoh sensor sedemikian, sensor BVK (Non-Contact End Switch) pelbagai siri boleh disebut. Ketepatan operasi (perbezaan strok) sensor sedemikian ialah 3 milimeter.

Rajah 1. Sensor Siri BVK

Voltan bekalan sensor BVK adalah 24V, arus beban adalah 200mA, yang cukup untuk menghubungkan geganti perantara untuk koordinasi selanjutnya dengan litar kawalan. Inilah bagaimana sensor BVK digunakan dalam pelbagai peralatan.

Selain sensor BVK, sensor BTP, KVP, PIP, KVD, jenis IKAN juga digunakan. Setiap siri mempunyai beberapa jenis sensor, ditunjukkan oleh nombor, misalnya, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Semua sensor yang disebutkan tidak disekat diskret, tujuan utama mereka adalah untuk menentukan kedudukan bahagian mekanisme dan perhimpunan. Sememangnya, terdapat lebih banyak sensor ini; anda tidak boleh menulis tentang semuanya dalam satu artikel. Pelbagai sensor kenalan masih lagi biasa dan masih mencari penggunaan yang meluas.

Penggunaan sensor analog

Selain sensor diskret dalam sistem automasi, sensor analog digunakan secara meluas. Tujuan mereka adalah untuk mendapatkan maklumat tentang pelbagai kuantiti fizikal, dan tidak seperti itu sama sekali, tetapi dalam masa nyata. Lebih tepatnya, penukaran kuantiti fizikal (tekanan, suhu, pencahayaan, aliran, voltan, arus) menjadi isyarat elektrik yang sesuai untuk penghantaran melalui talian komunikasi kepada pengawal dan pemprosesan selanjutnya.

Sensor analog biasanya terletak agak jauh dari pengawal, itulah sebabnya mereka sering dipanggil peranti medan. Istilah ini sering digunakan dalam kesusasteraan teknikal.

Sensor analog biasanya terdiri daripada beberapa bahagian. Bahagian yang paling penting ialah unsur sensitif - sensor. Tujuannya adalah untuk menukar nilai diukur menjadi isyarat elektrik. Tetapi isyarat yang diterima daripada sensor biasanya kecil. Untuk mendapatkan isyarat yang sesuai untuk penguatan, sensor paling sering dimasukkan ke dalam litar jambatan - Jambatan Wheatstone.

Rajah 2. Gerbang Wheatstone

Tujuan awal litar jambatan adalah ukuran rintangan yang tepat. Suatu sumber DC disambungkan kepada pepenjuru jambatan AD. Galvanometer yang sensitif dengan titik tengah, dengan sifar di tengah-tengah skala, disambungkan kepada pepenjuru yang lain. Untuk mengukur rintangan resistor Rx dengan berputar perintang pemangkasan R2, jambatan mesti seimbang, anak panah galvanometer mesti ditetapkan kepada sifar.

Penyimpangan anak panah peranti dalam satu arah atau yang lain membolehkan anda menentukan arah putaran perintang R2. Nilai rintangan diukur ditentukan pada skala yang digabungkan dengan pemegang perintang R2. Keadaan keseimbangan untuk jambatan adalah kesamaan nisbah R1 / R2 dan Rx / R3. Dalam kes ini, antara titik BC, satu perbezaan potensi sifar diperoleh, dan arus tidak mengalir melalui galvanometer V.

Rintangan resistor R1 dan R3 dipilih dengan sangat tepat, penyebarannya harus minimum. Hanya dalam kes ini, walaupun ketidakseimbangan kecil jambatan menyebabkan perubahan ketara dalam voltan BC diagonal. Ia adalah harta jambatan yang digunakan untuk menyambungkan unsur sensitif (sensor) dari pelbagai sensor analog. Nah, semuanya semuanya mudah, satu perkara teknologi.

Untuk menggunakan isyarat yang diterima daripada sensor, pemprosesan selanjutnya diperlukan, - penguatan dan penukaran kepada isyarat keluaran sesuai untuk penghantaran dan pemprosesan oleh litar kawalan - pengawal. Selalunya, isyarat keluaran sensor analog adalah semasa (gelung semasa analog), kurang kerap voltan.

Kenapa betul semasa? Faktanya ialah peringkat keluaran sensor analog berdasarkan sumber semasa. Ini membolehkan anda menyingkirkan pengaruh pada isyarat keluaran rintangan talian penyambung, untuk menggunakan sambungan talian besar panjang.

Penukaran selanjutnya agak mudah. Isyarat semasa ditukar kepada voltan, yang mana ia cukup untuk lulus semasa melalui perintang rintangan yang diketahui. Penurunan voltan merentasi penghitung pengukuran diperolehi menurut hukum Ohm U = I * R.

Sebagai contoh, untuk arus 10 mA pada perintang dengan rintangan 100 Ohms, anda akan mendapat voltan 10 * 100 = 1000mV, betul-betul ada 1 volt keseluruhan! Dalam kes ini, arus keluaran sensor tidak bergantung kepada rintangan wayar penyambung. Dalam had yang munasabah, tentu saja.

Sambungan sensor analog

Voltan yang diterima pada perintang ukur boleh dengan mudah ditukar kepada bentuk digital yang sesuai untuk dimasukkan ke dalam pengawal. Penukaran dilakukan dengan menggunakan penukar analog-ke-digital ADC.

Data digital dihantar ke pengawal dalam kod siri atau selari.Ia semua bergantung pada litar pensuisan tertentu. Rajah gambarajah sambungan mudah sensor analog ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3. Menyambung sensor analog (klik pada imej untuk membesarkan)

Penggerak disambungkan kepada pengawal, atau pengawal itu sendiri disambungkan ke komputer yang merupakan sebahagian daripada sistem automasi.

Secara semulajadi, sensor analog mempunyai reka bentuk yang telah siap, salah satu unsur yang merupakan perumahan dengan elemen penghubung. Sebagai contoh, Rajah 4 menunjukkan penampilan jenis sensor tekanan jenis Probe-10.

Rajah 4. Pengesan tekanan sensor Probe-10

Di bahagian bawah sensor, anda dapat melihat benang penghubung untuk menyambung ke saluran paip, dan di sebelah kanan di bawah penutup hitam ada penyambung untuk menyambungkan saluran komunikasi dengan pengawal.

Sambungan berulir dimeteraikan dengan mesin basuh yang diperbuat daripada tembaga anil (termasuk dalam skop penyampaian sensor), dan sama sekali tidak beralih dari pita fum atau linen. Ini dilakukan supaya apabila memasang sensor, jangan ubah bentuk unsur sensor yang terletak di dalamnya.

Output Sensor Analog

Menurut piawaian, terdapat tiga julat isyarat semasa: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA dan 4 ... 20mA. Apakah perbezaannya, dan apakah ciri-ciri tersebut?

Selalunya, pergantungan arus keluaran adalah berkadar terus dengan nilai yang diukur, sebagai contoh, semakin tinggi tekanan dalam paip, lebih besar arus pada output sensor. Walaupun bertukar songsang kadang-kadang digunakan: nilai yang lebih besar daripada arus keluaran sesuai dengan nilai minima nilai diukur pada output sensor. Ia semua bergantung kepada jenis pengawal yang digunakan. Sesetengah sensor juga beralih dari terus kepada songsang.

Isyarat output julat 0 ... 5mA adalah sangat kecil, dan oleh itu tertakluk kepada gangguan. Jika isyarat sensor sedemikian berubah-ubah pada nilai malar parameter yang diukur, iaitu, adalah disyorkan untuk memasang kapasitor dengan kapasitansi 0.1 ... 1 μF sejajar dengan output sensor. Lebih stabil ialah isyarat semasa dalam julat 0 ... 20mA.

Tetapi kedua-dua julat ini tidak baik kerana sifar pada permulaan skala tidak membenarkan kita untuk menentukan dengan jelas apa yang berlaku. Atau adakah isyarat yang diukur sebenarnya mengambil tahap sifar, yang mungkin pada dasarnya, atau hanya talian komunikasi yang dipotong? Oleh itu, mereka cuba untuk meninggalkan penggunaan julat ini, jika mungkin.

Isyarat sensor analog dengan arus output dalam julat 4 ... 20 mA dianggap lebih dipercayai. Kekebalan kebisingannya agak tinggi, dan batas yang lebih rendah, walaupun isyarat yang diukur mempunyai tahap sifar, akan menjadi 4 mA, yang membolehkan kita mengatakan bahawa talian komunikasi tidak dipecah.

Satu lagi ciri yang baik dalam julat ... 4 20mA adalah bahawa sensor boleh dihubungkan dalam hanya dua wayar, kerana sensor itu sendiri dikuasakan oleh arus ini. Ini adalah penggunaan semasa dan pada masa yang sama isyarat pengukur.

Sumber kuasa untuk sensor dalam julat 4 ... 20mA dihidupkan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5. Pada masa yang sama, sensor Zond-10, seperti kebanyakan orang lain, mempunyai pelbagai voltan bekalan 10 ... 38V mengikut pasport, walaupun mereka paling sering digunakan sumber yang stabil dengan voltan 24V.

Rajah 5. Menyambungkan satu sensor analog dengan sumber kuasa luaran

Unsur dan notasi berikut terdapat dalam rajah ini. RH adalah perintang pengukuran pengukuran, Rl1 dan Rl2 adalah rintangan talian komunikasi. Untuk meningkatkan ketepatan pengukuran, ketepatan pengukur ketepatan harus digunakan sebagai Rs. Laluan arus dari sumber kuasa ditunjukkan oleh anak panah.

Adalah mudah untuk melihat bahawa arus keluaran sumber kuasa berpindah dari terminal + 24V, melalui talian Rl1 yang mencapai terminal sensor + AO2, melalui sensor dan melalui terminal output sensor - AO2, talian penyambung Rl2, resistor Rs kembali ke terminal bekalan kuasa -24V. Segala-galanya, litar ditutup, aliran semasa.

Jika pengawal mengandungi bekalan kuasa 24V, kemudian menyambungkan sensor atau mengukur transducer adalah mungkin mengikut skema yang ditunjukkan dalam Rajah 6.

Rajah 6. Menyambungkan sensor analog kepada pengawal dengan sumber kuasa dalaman

Rajah ini menunjukkan satu lagi elemen - Rb perintang balast. Tujuannya adalah untuk melindungi perintang pengukur apabila talian komunikasi ditutup atau malfungsi pencetus analog. Pemasangan resistor RB adalah pilihan, walaupun diingini.

Sebagai tambahan kepada pelbagai sensor, pengukur transduser, yang sering digunakan dalam sistem automasi, juga mempunyai output semasa.

Mengukur transducer - peranti untuk menukar paras voltan, contohnya, 220V atau arus beberapa puluhan atau beratus amperes ke isyarat semasa 4 ... 20 mA. Di sini, penukaran tahap isyarat elektrik hanya berlaku, dan bukan perwakilan beberapa kuantiti fizikal (kelajuan, kadar aliran, tekanan) dalam bentuk elektrik.

Tetapi sensor hanya, sebagai peraturan, tidak mencukupi. Salah satu pengukuran yang paling popular adalah suhu dan pengukuran tekanan. Bilangan mata seperti dalam pengeluaran moden boleh mencapai beberapa puluhan ribu. Oleh itu, bilangan sensor juga besar. Oleh itu, beberapa sensor analog paling sering disambungkan kepada satu pengawal sekaligus. Sudah tentu, tidak beberapa ribu sekaligus, ia baik jika sedozen berbeza. Sambungan sedemikian ditunjukkan dalam Rajah 7.

Rajah 7. Menyambungkan pelbagai sensor analog kepada pengawal

Angka ini menunjukkan bagaimana voltan yang sesuai untuk penukaran kepada kod digital diperoleh daripada isyarat semasa. Sekiranya terdapat beberapa isyarat seperti itu, maka ia tidak diproses semuanya sekaligus, tetapi dipisahkan oleh masa, multiplexed, jika tidak, ADC yang berasingan perlu dipasang pada setiap saluran.

Untuk tujuan ini, pengawal mempunyai saluran beralih litar. Rajah fungsi suis ditunjukkan dalam Rajah 8.

Rajah 8. Suis saluran sensor analog (gambar yang boleh diklik)

Isyarat gelung semasa, ditukar kepada voltan pada perintang pengukur (UR1 ... URn), diberi input kepada suis analog. Isyarat kawalan bergantian lulus salah satu isyarat UR1 ... URn ke output, yang diperkuat oleh penguat, dan secara bergantian diberi input ADC. Voltan yang diubah menjadi kod digital dibekalkan kepada pengawal.

Skim ini, tentu saja, sangat mudah, tetapi prinsip multiplexing di dalamnya agak mungkin untuk dipertimbangkan. Inilah bagaimana modul untuk memasukkan isyarat analog dari pengawal MSTS (sistem mikropemproses perkakasan) yang dibina oleh Prolog Smolensk PC telah dibina. Penampilan pengawal MCTC ditunjukkan dalam Rajah 9.

Rajah 9. Pengawal ICTS

Pembebasan pengawal tersebut telah lama dihentikan, walaupun di beberapa tempat jauh dari yang terbaik, pengawal ini masih berfungsi. Pameran muzium ini digantikan oleh pengawal model baru, terutamanya pengeluaran (Cina) yang diimport.

Untuk menyambung 4 ... 20mA sensor semasa, adalah disyorkan untuk menggunakan kabel dua wayar yang dilindungi dengan bahagian silang teras sekurang-kurangnya 0.5 mm2.

Jika pengawal dipasang di dalam kabinet logam, disarankan agar perisai perisai disambungkan ke titik tanah kabinet. Panjang garis penghubung dapat mencapai lebih dari dua kilometer, yang dihitung oleh formula yang sesuai. Kami tidak akan mengambil kira apa-apa di sini, tetapi percayalah saya begitu.

Sensor baru, pengawal baru

Dengan adanya pengawal baru, sensor analog HART baru (Transduser Jauh Jalan Raya Lebuh Raya), yang diterjemahkan sebagai "Mengukur Transducer Boleh Diatasi dari Luar Angkasa".

Isyarat output sensor (peranti medan) adalah isyarat semasa analog dalam julat 4 ... 20 mA, di mana isyarat komunikasi digital yang dikawal frekuensi (FSK - Kekerapan Shift Keying) ditapis.

Rajah 10. HART Output Sensor Analog

Angka itu menunjukkan isyarat analog, dan di sekitarnya, seperti ular, gegelung sinusoid. Ini adalah isyarat termodulat frekuensi.Tetapi ini bukan isyarat digital sama sekali, ia masih belum diiktiraf. Adalah ketara dalam angka bahawa kekerapan gelombang sinus apabila memancarkan sifar logik adalah lebih tinggi (2.2KHz) daripada ketika menghantar satu unit (1.2KHz). Penghantaran isyarat ini dilakukan oleh arus dengan amplitudo sinusoidal ± 0.5 mA.

Telah diketahui bahawa nilai purata isyarat sinusoidal adalah sifar, oleh itu, penghantaran maklumat digital tidak mempengaruhi arus output sensor 4 ... 20 mA. Mod ini digunakan semasa menyiapkan penderia.

Komunikasi HART dilakukan dengan dua cara. Dalam kes pertama, standard, hanya dua peranti boleh bertukar maklumat pada garis dua wayar, manakala isyarat analog output 4 ... 20mA bergantung pada nilai yang diukur. Mod ini digunakan semasa menyiapkan peranti (sensor) medan.

Dalam kes kedua, sehingga 15 sensor boleh disambungkan ke talian dua wayar, bilangannya ditentukan oleh parameter garis komunikasi dan kuasa bekalan kuasa. Ini adalah mod berbilang drop. Dalam mod ini, setiap sensor mempunyai alamatnya sendiri dalam jarak 1 ... 15, di mana peranti kawalan mengaksesnya.

Sensor dengan alamat 0 diputuskan dari talian komunikasi. Pertukaran data antara sensor dan peranti kawalan dalam mod multipoint dilakukan hanya dengan isyarat frekuensi. Isyarat semasa sensor ditetapkan pada tahap yang diperlukan dan tidak berubah.

Dalam hal komunikasi multipoint, data tidak hanya bermakna hasil pengukuran parameter yang dikawal, tetapi juga satu set semua jenis maklumat perkhidmatan.

Pertama sekali, ini adalah alamat sensor, arahan kawalan, tetapan. Dan semua maklumat ini dihantar melalui talian komunikasi dua wayar. Tetapi adakah mungkin untuk menyingkirkan mereka? Benar, ini perlu dilakukan dengan berhati-hati, hanya dalam kes-kes semasa sambungan tanpa wayar tidak dapat menjejaskan keselamatan proses terkawal.

Ternyata anda boleh menyingkirkan wayar. Sudah pada tahun 2007, Standard WirelessHART diterbitkan, media penghantaran adalah frekuensi 2.4GHz yang tidak berlesen, yang dijalankan pada banyak peranti tanpa wayar komputer, termasuk rangkaian kawasan setempat tanpa wayar. Oleh itu, peranti WirelessHART boleh digunakan tanpa sebarang sekatan. Rajah 11 menunjukkan rangkaian tanpa wayar WirelessHART.

Rajah 11. WirelessHART Wireless

Teknologi ini telah menggantikan gelung semasa analog lama. Tetapi dia tidak melepaskan jawatannya, ia digunakan secara meluas jika mungkin.

Boris Aladyshkin