Датчики с унифицированным выходным сигналом

В промышленности применяется огромное разнообразие первичных преобразователей физико-химических величин, каждый из которых имеет свой выходной электрический сигнал. Чтобы избежать такого же разнообразия вторичных измерительных и регулирующих приборов, датчики оснащаются нормирующими преобразователями, которые преобразуют различные сигналы первичных преобразователей (термопар, термопреобразователей сопротивления, влажности, давления, веса, рН и проч.) в унифицированные сигналы постоянного тока или напряжения. Происходит нормирование и стандартизация сигналов.

На функциональной схеме (рис. 2.1) мы видим, как многоканальный вторичный измерительный прибор, рассчитанный на один тип унифицированного сигнала, работает с датчиками различных физико - химических параметров.

Рис. 2.1 Схема подключения различных датчиков к многоканальному измерительному прибору.

Если говорить более широко, унифицированные сигналы применяются для связи не только датчиков, но и других устройств промышленной автоматики: регистраторов, регуляторов, кон­троллеров, исполнительных механизмов и проч. Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011-80. Стандарт устанавливает допустимые диапазоны унифицирован­ных сигналов, а также вводит ограничения на величину сопротив­ления источников и приемников этих сигналов.

Сигнал Нагрузочное Входное

напряжения, В сопротивление, сопротивление

Ом, не более приемника

Oм, не менее,

От 0 до 0, 01 включит. – 10000

От 0 до 1 включит. – 10000

От 0 до 10 включит. 2000 –

Сигнал Выходное Входное

тока, мА сопротивление сопротивление

источника, приемника,

Oм, не менее Oм, не более

От 0 до 5 включит. 2500 (2000) 500

От 0 до 20 включит. 1000 (500) 250

От 4 до 20 включит. 1000 (500) 250

Чаще всего используется «токовая петля» 4-20мА. Отметим, что при работе с токовым сигналом 4 — 20 мА легко обнаружить обрыв линии связи — ток будет равен нулю, т.е. выходит за возможные пределы. Обрыв в цепи с сигналом 0 — 5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, считается допустимым.

Среди стандартных сигналов тока и напряжения наиболее удобным и популярным является токовый сигнал 4-20 мА. При­чины этого в том, что он наилучшим образом решает названные выше проблемы, связанные с передачей сигналов от удаленных датчиков к вторичным измерительным приборам.

Сигналы первичных преобразователей, как правило, очень малы. Например, сигналы термопар обычно меньше 50 мВ. В промышленных условиях сильные электромагнитные помехи могут создавать паразитные сигналы, в сотни и тысячи раз пре­вышающие полезные. Сильные токовые сигналы уровня 4-20 мА работают на низкоомную нагрузку, в результате они меньше подвержены такому влиянию.

Поскольку в датчиках с унифицированным аналоговым сигналом производятся многократные преобразования (нормирование, линеаризация, масштабирование, усиление, фильтрация) при учете суммарной погрешности, необходимо учитывать:

- предел основной приведенной погрешности преобразователей, входящих в состав датчика, т.е. погрешность преобразований;

- значение дополнительной погрешности от различных воздействующих факторов (температуры, влажности, давления) о преобразователей, входящих в состав датчика;

- несоответствие выходного и входного диапазонов при нормировании.

Еще одним минусом аналогового выходного сигнала является низкая помехозащищенность. Конечно, современные решения в области создания электронных компонентов, хорошая проработанность российских и международных стандартов по электромагнитной совместимости (ЭМС) позволяют сделать решения, практически не подверженные влиянию электромагнитных помех. Но не все производители, стремясь понизить стоимость изделия, занимаются подобными вопросами. А в результате ко всем составляющим точности измерения добавляются еще и вызванные влиянием помех.

В итоге низкая точность, имеющая место при работе с аналоговым сигналом, и низкая помехозащищенность делают актуальными частотные и цифровые способы передачи выходного сигнала.

Для передачи токовых сигналов можно использовать соеди­нительные провода, более дешевые по сравнению, например, с компенсационными. При этом требования к величине их сопро­тивления также могут быть снижены.

Поясним сказанное. Нормирующий преобразователь, который формирует токовый сигнал 4-20 мА, является так на­зываемым генератором тока – источником стабильного тока с очень большим выходным сопротивлением: r>>Rш, Rпр, где r– дифференциальное выходное сопротивления нормирующего преобразователя, Rш, Rпр – соответственно сопротивления шунта в измерительном приборе и соединительных проводов.

Поскольку величина тока I не зависит от сопротивления нагрузки, а Vизм = I • Rш, то сопротивление проводов не влияет на результат измерения. Для оценки можно принять, что допол­нительная относительная погрешность, связанная с влиянием сопротивления нагрузки (Rпр + Rш), равна

δ= (Rпр + Rш)/ (r + Rпр + Rш) ≅ (Rпр + Rш)/ r.

Для характерных значений r=1МОм, Rпр=500 Ом, Rш=50 Ом, имеем δ<0,06%.

С другой стороны, в такой высокоомной цепи источник элек­тромагнитных помех Eэм не в состоянии создать сколько-нибудь заметное по сравнению с полезным сигналом Vизм напряжение на низкоомном шунте Rш. Напряжение помехи, измеренное при­бором, будет равно:

Vп = Eэм • (Rш / r).

При Eэм = 1 В, напряжение помехи будет составлять Vп = 50 мкВ. Полезный сигнал при I = 20 мА имеет величину 1В. Таким образом, отношение помехи к полезному сигналу имеет порядок 10^-4, а величина (r/Rш) показывает степень подавления электро­магнитных помех. 14

Нетрудно показать, что при работе с сигналами напряжения сигнал помехи Vп практически равен Eэм. Это демонстрирует пре­имущество токовых сигналов при работе в условиях сильных элек­тромагнитных помех по сравнению с сигналами напряжения.

В заключение отметим, при работе с токовым сигналом 4-20 мА легко обнаружить обрыв линии связи – ток будет равен нулю, т.е. выходить за возможные пределы. Обрыв в цепи с сигналом 0-5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, считается допус­тимым. Для обнаружения обрыва в цепях с унифицированными сигналами напряжения (0-1В или 0-10В) приходится применять специальные схемотехнические решения, например, «подтяжку» более высоким напряжением через высокоомный резистор.

Дата добавления: 2014-01-04