kategorier: Utvalda artiklar » Nybörjare elektriker
Antal visningar: 166,352
Kommentarer till artikeln: 4

Analoga sensorer: applikation, anslutningsmetoder till regulatorn

 

Analoga sensorerVid automatiseringen av tekniska processer för styrning av mekanismer och enheter måste man hantera mätningar av olika fysiska mängder. Detta kan vara temperatur, tryck och flödeshastighet för en vätska eller gas, rotationshastighet, ljusintensitet, information om mekanismernas läge och mycket mer. Denna information erhålls med hjälp av sensorer. Här, först om placeringen av mekanismernas delar.


Diskreta sensorer

Den enklaste sensorn är en normal mekanisk kontakt: dörren öppnades - kontakten öppnades, stängd - stängd. En sådan enkel sensor, liksom ovanstående algoritm, ofta används i säkerhetslarm. För en mekanism med translationell rörelse, som har två lägen, till exempel en vattenventil, behövs två kontakter: en kontakt är stängd - ventilen är stängd, den andra är stängd - stängd.

En mer komplex translationalgoritm har en mekanism för att stänga den termoplastiska gjutmaskinen. Ursprungligen är formen öppen, detta är utgångsläget. I detta läge avlägsnas färdiga produkter från formen. Därefter stänger arbetaren skyddsstaket och formen börjar stängas, en ny arbetscykel börjar.

Avståndet mellan formens halvor är ganska stort. Därför rör sig formen snabbt och på ett visst avstånd tills halvorna är stängda, släpvagnen utlöses, rörelsens hastighet reduceras avsevärt och formen stängs smidigt.

Denna algoritm låter dig undvika ett slag när du stänger formen, annars kan den helt enkelt hackas i små bitar. Samma hastighetsförändring inträffar när formen öppnas. Här kan två kontaktsensorer inte göra det.

Således är sensorerna baserade på kontakten diskreta eller binära, har två positioner, stängda - öppna eller 1 och 0. Med andra ord kan vi säga att händelsen inträffade eller inte. I exemplet ovan "fångas" flera punkter av kontakterna: början av rörelse, punkten för minskning av hastighet, slutet av rörelsen.

Inom geometri har en punkt inga dimensioner, bara en punkt och det är det. Det kan antingen vara (på ett pappersark, i rörelsebanan, som i vårt fall), eller så finns det helt enkelt inte. Därför används separata sensorer för att detektera punkter. Kanske är en jämförelse med en punkt här inte särskilt lämplig, för i praktiska syften använder de värdet på noggrannheten för en diskret sensor, och denna noggrannhet är mycket mer än en geometrisk punkt.

Men mekanisk kontakt enbart är en opålitlig sak. Därför, om möjligt, ersätts mekaniska kontakter av närhetssensorer. Det enklaste alternativet är en reed switch: magneten är nära, kontakten är stängd. Noggrannheten för driften av vassomkopplaren lämnar mycket att önska; att använda sådana sensorer är bara för att bestämma dörrarnas läge.

Ett mer komplicerat och exakt alternativ bör betraktas som en mängd olika närhetsgivare. Om metallflaggan gick in i spåret, fungerade sensorn. Som ett exempel på sådana sensorer kan BVK-sensorer (icke-kontaktändströmställare) i olika serier nämnas. Funktionsnoggrannheten (slagdifferens) för sådana sensorer är 3 millimeter.

BVK-seriesensor

Bild 1. BVK-seriesensor

BVK-sensorns matningsspänning är 24V, lastströmmen är 200 mA, vilket är tillräckligt för att ansluta mellanreläer för ytterligare samordning med styrkretsen. Så här används BVK-sensorer i olika utrustningar.

Förutom BVK-sensorer används även sensorer av typen BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Varje serie har flera typer av sensorer, indikerade med siffror, till exempel BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Alla de nämnda sensorerna är icke-kontakter diskreta, deras huvudsyfte är att bestämma positionen för delar av mekanismer och enheter. Naturligtvis finns det mycket fler av dessa sensorer, du kan inte skriva om dem alla i en artikel. Olika kontaktsensorer är fortfarande vanligare och finns fortfarande utbredd användning.



Användning av analoga sensorer

Förutom diskreta sensorer i automatiseringssystem används analoga sensorer i stor utsträckning. Deras syfte är att få information om olika fysiska mängder, och inte bara som det alls, utan i realtid. Närmare bestämt omvandlingen av en fysisk kvantitet (tryck, temperatur, belysning, flöde, spänning, ström) till en elektrisk signal som är lämplig för överföring via kommunikationsledningar till styrenheten och dess vidare behandling.

Analoga sensorer är vanligtvis placerade tillräckligt långt från regulatorn, varför de ofta kallas fältanordningar. Denna term används ofta i teknisk litteratur.

En analog sensor består vanligtvis av flera delar. Den viktigaste delen är det känsliga elementet - sensor. Dess syfte är att konvertera det uppmätta värdet till en elektrisk signal. Men signalen som tas emot från sensorn är vanligtvis liten. För att få en signal som är lämplig för förstärkning ingår sensorn oftast i bryggkretsen - Wheatstone Bridge.

Wheatstone Bridge

Bild 2. Wheatstone Bridge

Det första syftet med bryggkretsen är en noggrann mätning av motstånd. En likströmskälla är ansluten till diagonalen på AD-bron. En känslig galvanometer med en mittpunkt, med noll i mitten av skalan, är ansluten till en annan diagonal. För att mäta motståndet hos motståndet Rx genom att rotera trimmotståndet R2, måste bron vara balanserad, galvanometerpilen måste ställas in på noll.

Avvikelse från enhetens pil i en eller annan riktning låter dig bestämma rotationsriktningen för motståndet R2. Värdet på det uppmätta motståndet bestäms på en skala i kombination med handtaget på motståndet R2. Jämviktsvillkoret för bron är jämställdheten mellan förhållandena R1 / R2 och Rx / R3. I detta fall erhålles en noll potentialskillnad mellan punkterna BC, och strömmen flödar inte genom galvanometern V.

Motståndet för motstånden R1 och R3 väljs mycket exakt, deras spridning bör vara minimal. Endast i detta fall orsakar även en liten obalans av bron en märkbar förändring i spänningen på BC-diagonalen. Det är denna egenskap hos bron som används för att ansluta känsliga element (sensorer) från olika analoga sensorer. Tja, då är allt enkelt, en fråga om teknik.

För att använda signalen som mottas från sensorn krävs ytterligare bearbetning, - förstärkning och omvandling till en utsignal som är lämplig för överföring och behandling av styrkretsen - styrenheten. Oftast är utgångssignalen från analoga sensorer ström (analog strömslinga), mindre ofta spänning.

Varför exakt strömmen? Faktum är att utgångsstegen för analoga sensorer är baserade på aktuella källor. Detta gör att du kan bli av med påverkan på utsignalen för anslutningslinjernas motstånd, att använda anslutningslinjer med stor längd.

Ytterligare konvertering är ganska enkelt. Strömsignalen omvandlas till spänning, för vilken det räcker för att leda strömmen genom ett motstånd med känt motstånd. Spänningsfallet över mätmotståndet erhålls enligt Ohms lag U = I * R.

Till exempel, för en ström på 10 mA på ett motstånd med ett motstånd på 100 ohm, får du en spänning på 10 * 100 = 1000 mV, just det finns en hel 1 volt! I det här fallet beror inte sensorns utgångsström på motståndet hos anslutningstrådarna. Inom rimliga gränser, naturligtvis.


Anslutning av analoga sensorer

Spänningen som mottas vid mätmotståndet kan enkelt omvandlas till en digital form som är lämplig för inmatning i regulatorn. Konvertering sker med analoga till digitala omvandlare ADC.

Digital data överförs till styrenheten i seriell eller parallell kod.Det beror på den specifika kopplingskretsen. Ett förenklat kopplingsschema för den analoga sensorn visas i figur 3.

Anslutning av analog sensor

Bild 3. Ansluta en analog sensor (klicka på bilden för att förstora)

Ställdon är anslutna till regulatorn, eller styrenheten är själv ansluten till en dator som ingår i automatiseringssystemet.

Naturligtvis har de analoga sensorerna en färdig design, varav ett av elementen är ett hölje med anslutningselement. Som ett exempel visar figur 4 utseendet på mättrycksensorn typ Probe-10.

Sensor för överdrivet tryck Probe-10

Bild 4. Sensorövertryck Probe-10

Längst ner på sensorn kan du se anslutningsgängen för anslutning till rörledningen, och till höger under det svarta höljet finns ett kontaktdon för anslutning av en kommunikationslinje med styrenheten.

Den gängade anslutningen är tätad med en bricka tillverkad av glödgad koppar (ingår i sensorns leveransomfång), och på ingen sätt lindas från ett fumtejp eller linne. Detta görs så att när du installerar sensorn inte deformerar det sensorelement som finns inuti.


Analog sensorutgångar

Enligt standarderna finns det tre strömområden: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA och 4 ... 20mA. Vad är deras skillnad och vad är funktionerna?

Oftast är beroende av utströmmen direkt proportionell mot det uppmätta värdet, till exempel, ju högre tryck i röret, desto större är strömmen vid sensorns utgång. Även om inversomkoppling ibland används: ett större värde på utgångsströmmen motsvarar minimivärdet för det uppmätta värdet vid sensorns utgång. Det beror på vilken typ av styrenhet som används. Vissa sensorer växlar till och med från direkt till invers.

Utsignalen från intervallet 0 ... 5mA är mycket liten och därför utsatt för störningar. Om signalen från en sådan sensor fluktuerar med ett konstant värde för den uppmätta parametern, det vill säga, rekommenderas det att installera en kondensator med en kapacitans på 0,1 ... 1 μF parallellt med sensorns utgång. Mer stabil är den aktuella signalen i området 0 ... 20mA.

Men båda dessa intervall är inte bra eftersom nollan i början av skalan inte tillåter oss att entydigt bestämma vad som hände. Eller tog den uppmätta signalen faktiskt en nollnivå, vilket i princip är möjligt, eller helt enkelt avbröts kommunikationslinjen? Därför försöker de att överge användningen av dessa intervall, om möjligt.

Signalen från analoga sensorer med en utgångsström inom området 4 ... 20 mA anses vara mer tillförlitlig. Dess ljudimmunitet är ganska hög, och den nedre gränsen, även om den uppmätta signalen har en nollnivå, kommer att vara 4 mA, vilket gör att vi kan säga att kommunikationslinjen inte är trasig.

En annan bra egenskap i 4 ... 20mA-serien är att sensorerna kan anslutas i bara två ledningar, eftersom sensorn själv drivs av denna ström. Detta är dess nuvarande förbrukning och samtidigt en målsignal.

Strömkällan för sensorer i området 4 ... 20mA slås på, som visas i figur 5. Samtidigt har Zond-10-sensorerna, som många andra, ett brett utbud av matningsspänning 10 ... 38V enligt passet, även om de oftast används stabiliserade källor med en spänning på 24V.

Ansluta en analog sensor med en extern strömkälla

Bild 5. Ansluta en analog sensor med en extern strömkälla

Följande element och notering finns i detta diagram. Rш är motståndet för mätshunt, Rl1 och Rl2 är motståndet för kommunikationslinjer. För att öka mätnoggrannheten bör ett precisionsmätmotstånd användas som Rш. Strömmen från strömkällan indikeras med pilar.

Det är lätt att se att strömkällans utgång går från + 24V-terminalen, genom Rl1-linjen når den + AO2-sensorterminalen, passerar genom sensorn och genom sensorns utgångsterminal - AO2, Rl2-anslutningslinjen, motståndet Rш återgår till -24V strömförsörjningsterminal. Allt, kretsen är stängd, strömmen flyter.

Om regulatorn innehåller en 24V strömförsörjning, är sensorn eller mätomvandlarens anslutning möjlig enligt schemat som visas i figur 6.

Ansluter en analog sensor till en styrenhet med intern strömförsörjning

Bild 6. Ansluta en analog sensor till en styrenhet med en intern strömkälla

Detta diagram visar ett annat element - ballastmotståndet Rb. Syftet är att skydda mätmotståndet när kommunikationslinjen är stängd eller den analoga sensorn inte fungerar. Installationen av ett RB-motstånd är valfritt, även om det är önskvärt.

Förutom olika sensorer har även mätomvandlare, som ofta används i automatiseringssystem, en strömutgång.


Mät givare - en anordning för att konvertera spänningsnivåer, till exempel 220V eller ström på flera tiotals eller hundratals ampère till en strömsignal på 4 ... 20mA. Här transformeras en elektrisk signalnivå helt enkelt och inte en representation av en viss fysisk mängd (hastighet, flödeshastighet, tryck) i elektrisk form.

Men den enda sensorn, som regel, räcker inte. En av de mest populära mätningarna är temperatur- och tryckmätningar. Antalet sådana punkter i modern produktion kan nå flera tiotusentals. Följaktligen är antalet sensorer också stort. Därför är flera analoga sensorer oftast anslutna till en styrenhet samtidigt. Naturligtvis inte flera tusen på en gång, det är bra om ett dussin är olika. En sådan anslutning visas i figur 7.

Ansluter flera analoga sensorer till regulatorn

Bild 7. Ansluta flera analoga sensorer till regulatorn

Denna figur visar hur en spänning som är lämplig för konvertering till en digital kod erhålls från en strömsignal. Om det finns flera sådana signaler, behandlas de inte alla på en gång, utan är separerade med tiden, multiplexerade, annars skulle en separat ADC måste placeras på varje kanal.

För detta ändamål har styrenheten en kretsomkopplande kanaler. Funktionsdiagrammet för omkopplaren visas i figur 8.

Analog sensorkanalomkopplare

Bild 8. Brytare för analoga sensorkanaler (klickbar bild)

Strömslingans signaler, omvandlade till spänning vid mätmotståndet (UR1 ... URn) matas till ingången till den analoga omkopplaren. Styrsignalerna passerar växelvis en av signalerna UR1 ... URn, som förstärks av förstärkaren, och matas växelvis till ADC-ingången. Spänningen konverterad till en digital kod matas till regulatorn.

Systemet är naturligtvis mycket förenklat, men principen om att multiplexera i det är fullt möjligt att överväga. Så här byggdes modulen för inmatning av analoga signaler från MSTS-styrenheterna (mikroprocessorsystem för hårdvara) som byggdes av Prolog Smolensk PC. Utseendet på MCTC-styrenheten visas i figur 9.

ICTS-regulator

Bild 9. ICTS-regulator

Släppningen av sådana kontroller har länge upphört, även om dessa kontroller på vissa platser, långt ifrån de bästa, fortfarande fungerar. Dessa museumsutställningar ersätts av kontrollörer av nya modeller, främst av importerad (kinesisk) produktion.

För att ansluta 4 ... 20mA strömsensorer rekommenderas det att använda en två-trådsskärmad kabel med ett kärntvärsnitt på minst 0,5 mm2.

Om regulatorn är monterad i ett metallskåp rekommenderas att skärmflätor ansluts till skåpets markpunkt. Anslutningslinjernas längd kan nå mer än två kilometer, vilket beräknas med motsvarande formler. Vi kommer inte att tänka på någonting här, men tro mig att det är så.


Nya sensorer, nya styrenheter

Med tillkomsten av nya kontrollörer, nya HART-analoga sensorer (Highway Addressable Remote Transducer), som översätts som "Mätande givars adresserbar fjärrstyrning via bagageutrymmet".

Givarens utsignal (fältanordning) är en analog strömsignal i området 4 ... 20 mA, på vilken en frekvensmodulerad (FSK - Frequency Shift Keying) digital kommunikationssignal överlagras.

HART Analog sensorutgång

Bild 10. HART Analog sensorutgång

Figuren visar en analog signal, och runt den, som en orm, en sinusoidspolar. Detta är en frekvensmodulerad signal.Men detta är inte en digital signal alls, den måste ännu inte erkännas. Det märks i figuren att sinusfrekvensens frekvens vid överföring av en logisk noll är högre (2,2 KHz) än vid sändning av en enhet (1,2 KHz). Överföringen av dessa signaler utförs av en ström med en amplitud på ± 0,5 mA sinusform.

Det är känt att medelvärdet för sinusformad signal är noll, därför påverkar överföringen av digital information inte utgångsströmmen från sensorn 4 ... 20 mA. Detta läge används vid inställning av sensorer.

HART-kommunikation sker på två sätt. I det första fallet är det bara två enheter som kan utbyta information via en tvåtrådslinje, medan den analoga utsignalen 4 ... 20 mA beror på det uppmätta värdet. Det här läget används vid inställning av fältenheter (sensorer).

I det andra fallet kan upp till 15 sensorer anslutas till den två-trådiga linjen, vars antal bestäms av parametrarna för kommunikationslinjen och kraften i strömförsörjningen. Detta är ett läge med flera droppar. I detta läge har varje sensor sin egen adress i intervallet 1 ... 15, vid vilken styrenheten kommer åt den.

Sensorn med adress 0 kopplas bort från kommunikationslinjen. Datautbyte mellan sensorn och styrenheten i multipunktläge utförs endast av en frekvenssignal. Sensorns strömsignal är fast vid önskad nivå och ändras inte.

När det gäller kommunikation med flera punkter avses data inte bara de verkliga resultaten av mätningar av den kontrollerade parametern, utan också en hel uppsättning av alla typer av serviceinformation.

Först och främst är det adresserna till sensorer, kontrollkommandon, inställningar. Och all denna information överförs via två-tråders kommunikationslinjer. Men är det möjligt att bli av med dem? Det är sant att detta bör göras försiktigt, endast i de fall då den trådlösa anslutningen inte kan påverka säkerheten för den kontrollerade processen.

Det visar sig att du kan bli av med ledningarna. Redan 2007 publicerades WirelessHART Standard, transmissionsmediet är den olicensierade frekvensen på 2,4 GHz, som körs på många trådlösa datorer, inklusive trådlösa lokala nätverk. Därför kan WirelessHART-enheter användas utan några begränsningar. Figur 11 visar det trådlösa WirelessHART-nätverket.

Trådlöst nätverk WirelessHART

Bild 11. Trådlöst WirelessHART

Dessa tekniker har ersatt den gamla analoga strömslingan. Men hon ger inte upp sin ställning, den används ofta där det är möjligt.

Boris Aladyshkin

Se även på elektrohomepro.com:

  • Stamavstånd i automatiseringssystem
  • Vad är skillnaden mellan analoga och digitala sensorer
  • Ansluter analoga sensorer till Arduino, lässensorer
  • Vassgivare
  • Akustisk sensor

  •  
     
    kommentarer:

    # 1 skrev: | [Cite]

     
     

    Intressant artikel.

     
    kommentarer:

    # 2 skrev: | [Cite]

     
     

    Tack! Bra artikel och väldigt informativt.

     
    kommentarer:

    # 3 skrev: | [Cite]

     
     

    God eftermiddag, alla. 1970 använde vi i Kazakstan, i Karaganda, kabelruttfyndare monterade på basis av Wheatstone-bron. Tillförlitlig sak ska jag berätta. Sanningen krävde noggrann finjustering (kalibrering) på marken.
    Naturligtvis kan du nu inte jämföra dessa ruttfyndare med de nuvarande. Du ger generatorn och letar efter mottagaren. Mätnoggrannheten är en storleksordning högre än Wheatstone-bron. Hans tid är borta.

     
    kommentarer:

    # 4 skrev: En roman | [Cite]

     
     

    Bra och illustrerande artikel! Tack