Подключение датчика тока к микроконтроллеру
Ознакомившись с основами теории, мы можем переходить к вопросу считывания, преобразования и визуализации данных. Другими словами мы спроектируем простой измеритель постоянного тока.
Аналоговый выход датчика подключается к одному из каналов АЦП микроконтроллера. Все необходимые преобразования и вычисления реализуются в программе микроконтроллера. Для отображения данных используется 2-строчный символьный ЖК индикатор.
Экспериментальная схема
Для экспериментов с датчиком тока необходимо собрать конструкцию согласно схеме, приведенной на Рисунке 8. Автор использовал для этого макетную плату и модуль на базе микроконтроллера (Рисунок 9).
Модуль датчика тока ACS712-05B можно приобрести готовый (на eBay он продается совсем недорого), или изготовить самостоятельно. Емкость конденсатора фильтра выбрана равной 1 нФ, по питанию установлен блокировочный конденсатор 0.1 мкФ. Для индикации включения питания припаян светодиод с гасящим резистором. Питание и выходной сигнал датчика подведены на разъем с одной стороны платы модуля, 2-контактный разъем для измерения протекающего тока расположен с противоположной стороны.
Для экспериментов по измерению тока регулируемый источник постоянного напряжения подключим к токоизмерительным выводам датчика через последовательный резистор 2.7 Ом / 2 Вт. Выход датчика подключен к порту RA0/AN0 (вывод 17) микроконтроллера. Двухстрочный символьный ЖК индикатор подключен к порту B микроконтроллера и работает в 4-битном режиме.
Микроконтроллер питается напряжением +5 В, это же напряжение используется в качестве опорного для АЦП. Необходимые вычисления и преобразования реализуются в программе микроконтроллера.
Математические выражения, используемые в процессе преобразования, приведены ниже.
Чувствительность датчика тока Sens = 0.185 В/А. При питании Vcc = 5 В и опорном напряжении Vref = 5 В расчетные соотношения будут следующими:
Выходной код АЦП
Следовательно
В итоге, формула для вычисления тока получается следующей:
Важное замечание. Представленные выше соотношения основаны на предположении, что напряжение питания и опорное напряжение для АЦП равны 5 В. Однако последнее выражение, связывающее ток I и выходной код АЦП Count, сохраняет силу даже при флуктуациях напряжения источника питания. Об этом шла речь в теоретической части описания.
Из последнего выражения видно, что разрешение датчика по току составляет 26.4 мА, чему соответствуют 513 отсчетов АЦП, что на один отсчет превышает ожидаемый результат. Таким образом, мы можем заключить, что данная реализация не позволяет измерять малые токи. Для увеличения разрешения и повышения чувствительности при измерении малых токов потребуется использование операционного усилителя. Пример такой схемы показан на Рисунке 10.
Программа микроконтроллера
Программа микроконтроллера PIC16F1847 написана на языке Си и скомпилирована в среде mikroC Pro (mikroElektronika). Результаты измерений отображаются на двухстрочном ЖК индикаторе с точностью до двух десятичных знаков.
Выход
При нулевом входном токе выходное напряжение датчика ACS712 в идеальном случае должно быть строго Vcc/2, т.е. с АЦП должно быть считано число 512. Дрейф выходного напряжения датчика на 4.9 мВ вызывает смещение результата преобразования на 1 младший разряд АЦП (Рисунок 11). (Для Vref = 5.0 В, разрешение 10-битного АЦП будет 5/1024= 4.9 мВ), что соответствует 26 мА входного тока. Заметим, что для уменьшения влияния флуктуаций желательно производить несколько измерений, и затем усреднять их результаты.
Если выходное напряжение регулируемого источника питания установить равным 1 В, через
резистор должен протекать ток порядка 370 мА. Измеренное значение тока в эксперименте - 390 мА, что превышает правильный результат на одну единицу младшего разряда АЦП (Рисунок 12).
|
|
|
| Рисунок 12. | |
При напряжении 2 В индикатор покажет 760 мА.
На этом мы завершим обсуждение датчика тока ACS712. Однако мы не коснулись еще одного вопроса. Как с помощью этого датчика измерять переменный ток? Имейте ввиду, что датчик обеспечивает мгновенный отклик, соответствующий току, протекающему через измерительные выводы. Если ток течет в положительном направлении (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4), чувствительность датчика положительная, и выходное напряжение больше Vcc/2. Если же ток меняет направление, чувствительность будет отрицательной, и выходное напряжение датчика опустится ниже уровня Vcc/2. Это означает, что при измерении переменного сигнала АЦП микроконтроллера должен делать выборки достаточно быстро, чтобы иметь возможность вычислять среднеквадратичное значение тока.
Загрузки
Исходный код программы микроконтроллера и файл для прошивки -
Дискретные датчики
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.
Применение аналоговых датчиков
Рисунок 2. Мостик Уитстона
Подключение аналоговых датчиков
Выходные сигналы аналоговых датчиков
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».
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.
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».
Выходной сигнал датчика (полевого устройства) представляет собой аналоговый токовый сигнал диапазона 4…20мА, на который накладывается частотно модулированный (FSK - Frequency Shift Keying) сигнал цифровой связи.
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 линям 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.
Вот такие технологии пришли на смену старой аналоговой токовой петле. Но и она свои позиции не сдает, широко применяется везде, где это возможно.
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.
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.
Датчик серии БВК
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.
Мостик Уитстона
Рисунок 2. Мостик Уитстона
Изначальное назначение мостовой схемы - точное измерение сопротивления. К диагонали моста AD подключается источник постоянного тока. В другую диагональ подключен чувствительный гальванометр со средней точкой, с нулем в середине шкалы. Для измерения сопротивления резистора Rx вращением подстроечного резистора R2 следует добиться равновесия моста, установить стрелку гальванометра на нулевое значение.
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.
Для использования сигнала, полученного с сенсора, требуется его дальнейшая обработка, - усиление и преобразование в выходной сигнал, пригодный для передачи и обработки схемой управления - контроллером. Чаще всего выходным сигналом аналоговых датчиков является ток (аналоговая токовая петля), реже напряжение.
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.
Подключение аналогового датчика
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.
Датчик избыточного давления 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.
Подключение аналогового датчика с внешним источником питания
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.
Нетрудно видеть, что выходной ток источника питания проходит с клеммы +24В, через линию Rл1 достигает клеммы датчика +AO2, проходит через датчик и через выходной контакт датчика - AO2, соединительную линию Rл2, резистор Rш возвращается на клемму источника питания -24В. Все, цепь замкнулась, ток течет.
В случае, если контроллер содержит источник питания 24В, то подключение датчика или измерительного преобразователя возможно по схеме, показанной на рисунке 6.
Подключение аналогового датчика к контроллеру с внутренним источником питания
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 десят
Читать так же
- Виды настенных светильников и особенности их использования
- Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение
- Что можно определить по счетчику, кроме расхода электроэнергии
- О критериях оценки качества электротехнической продукции
- Что лучше для частного дома - однофазный или трехфазный ввод?
- Как выбрать стабилизатор напряжения для загородного дома
- Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока
- Практика разводки и подключения ТВ кабеля в квартире – особенности процесса
- Неполадки в электропроводке: что делать и как их устранить?
- Люминесцентные лампы Т5: перспективы и проблемы применения
- Выдвижные блоки розеток: практика использования и подключения
- Электронные усилители. Часть 2. Усилители звуковых частот
- Правильная эксплуатация электрооборудования и электропроводки в загородном доме
- Основные моменты использования безопасного напряжения в быту
- Необходимые инструменты и приборы для начинающих изучать электронику
- Конденсаторы: назначение, устройство, принцип действия
- Что такое переходное контактное сопротивление и как с ним бороться
- Реле напряжения: какие бывают, как выбрать и подключить?
- Что лучше для частного дома – однофазный или трехфазный ввод?
- Конденсаторы в электронных схемах. Часть 2. Межкаскадная связь, фильтры, генераторы
- Как обеспечить комфорт при недостаточной мощности электросети
- Как убедиться при покупке автомата в магазине, в том что он исправен?
- Как выбрать сечение провода для сетей освещения 12 вольт
- Способ подключения водонагревателя и насоса при недостаточной мощности сети
- Катушки индуктивности и магнитные поля. Часть 2. Электромагнитная индукция и индуктивность
- Операционные усилители. Часть 2. Идеальный операционный усилитель
- Что такое микроконтроллеры (назначение, устройство, софт)
- Продлеваем жизнь компактной люминесцентной лампе (экономке)
- Схемы включения операционных усилителей без обратной связи
- Замена электрического распределительного щитка квартиры
- Почему нельзя соединять медь и алюминий в электропроводке?
С 1950-х годов токовая петля используется для передачи данных от измерительных преобразователей в процессе мониторинга и контроля. При низкой стоимости реализации, высокой помехоустойчивости и возможности передачи сигналов на большие расстояния, токовая петля оказалась особенно удобной для работы в промышленных условиях. Этот материал посвящен описанию базовых принципов работы токовой петли, основам проектирования, настройке.
Использование тока для передачи данных от преобразователя
Датчики промышленного исполнения часто используют токовый сигнал для передачи данных в отличие, от большинства других преобразователей, таких,например, как термопары или тензорезистивные датчики, которые используют напряжение сигнала. Несмотря на то, что преобразователи,использующие напряжение в качестве параметра передачи информации,действительно эффективно применяются во многих производственных задачах, существует круг приложений, где использование характеристик тока предпочтительнее. Существенным недостатком при использования напряжения для передачи сигналов в промышленных условиях является ослабление сигнала при его передаче на значительные расстояния вследствие наличия сопротивления проводных линий связи. Можно,конечно, использовать высокий входной импеданс устройств, чтобы обойти потери сигнала. Однако, такие устройства будут весьма чувствительны к шуму, которые индуцируют находящиеся поблизости моторы, приводные ремни или радиовещательные передатчики.
Согласно первому закону Кирхгофа сумма токов, втекающих в узел,равна сумме токов, вытекающих из узла.
В теории, ток,протекающий в начале контура,должен достичь его конца в полном объеме,
как показано на рис.1. 1.
Рис.1. В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в начале контура равен току в его конце.
Это основной принцип, на котором работает контур измерения.. Измерение тока в любом месте токовой петли (измерительного контура) дает один и тот же результат. Используя токовые сигналы и приемные устройства для сбора данных с низким входным сопротивлением, в промышленных приложениях возможно получить значительный выигрыш от улучшения помехоустойчивости и увеличения длины линии связи.
Компоненты токовой петли
В состав основных компонентов токовой петли входят источник постоянного тока, первичный преобразователь, устройство сбора данных, и провода, соединяющие их в ряд, как показано на рисунке 2.
Рис.2. Функциональная схема токовой петли.
Источник постоянного тока обеспечивает питание системы. Преобразователь регулирует ток в проводах в диапазоне от 4 до 20 мА, где 4 мА представляет собой «живой» ноль, а 20 мА представляет максимальный сигнал.
0 mA (отсутствие тока) означает разрыв в цепи. Устройство сбора данных измеряет величину регулируемого тока. Эффективным и точным методом измерения тока является установка прецизионного резистора- шунта на входе измерительного усилителя устройства сбора данных (на рис.2) для преобразования тока в напряжение измерения, чтобы в конечном итоге получить результат,однозначно отражающий сигнал на выходе преобразователя.
Чтобы помочь лучше понять принцип работы токовой петли, рассмотрим для примера конструкцию системы с преобразователем, имеющую следующие технические характеристики:
Преобразователь используется для измерения давления
Преобразователь расположен в 2000 футов от устройства измерения
Ток,измеряемый устройством сбора данных, обеспечивает оператора информацией о величине давления, приложенного к преобразователю
Рассмотрение примера начнем с подбора подходящего преобразователя.
Проектирование токовой системы
Выбор преобразователя
Первым шаг в проектировании токовой системы является выбор преобразователя. Независимо от типа измеряемой величины (расход, давление, температура, и т.д.) важным фактором в выборе преобразователя является его рабочее напряжение. Только подключение источника питания к преобразователю позволяет регулировать величину тока в линии связи. Значение напряжения источника питания должно находиться в допустимых пределах: больше, чем минимально необходимое,меньше, чем максимальное значение, которое может привести к повреждению преобразователя.
Для токовой системы, рассматриваемой в примере, выбранный преобразователь измеряет давление и имеет рабочее напряжение от 12 до 30 В. Когда преобразователь выбран, требуется правильно измерить токовый сигнал, чтобы обеспечить точное представление о давлении, подаваемом на датчик.
Выбор устройства сбора данных для измерения тока
Важным аспектом, на который следует обратить внимание при построении токовой системы, является предотвращение появления токового контура в цепи заземления. Общим приемом в таких случаях является изоляция. Использовав изоляцию, вы можете избежать влияния контура заземления, возникновение которого поясняет рис.3.
Рис.3. Контур заземления
Заземляющие контуры образуются при двух подключенных терминалов в цепи в разных местах потенциалов. Эта разница приводит к появлению дополнительного тока в линии связи, что может привести к появлению ошибок при измерениях.
Под изоляцией устройства сбора данных понимается электрическое отделение земли источника сигнала от земли входного усилителя измерительного устройства, как показано на рисунке 4.
Поскольку ток не может течь через барьер изоляции, точки заземления усилителя и источника сигнала имеют один и тот же потенциал. Таким образом исключается возможность непреднамеренно создать контур заземления.
Рис.4. Синфазное напряжение и напряжение сигнала в схеме с изоляцией
Изоляция также предотвращает от повреждения устройство сбора данных при наличии больших синфазных напряжений. Синфазным называют напряжение одинаковой полярности,которое присутствует на обоих входах инструментального усилителя. Например, на рис.4. и положительный (+) ,и отрицательный (-) входы усилителя имеют +14 V синфазного напряжения. Многие устройства сбора данных имеют максимальный входной диапазон ±10 В. Если устройство сбора данных не имеет изоляции и синфазное напряжение выходит за максимальный входной диапазон, вы можете повредить устройство. Хотя нормальное (сигнальное) напряжение на входе усилителя на рис.4 составляет только +2 В, добавка +14 в может дать в результате напряжение +16 В
(Сигнальное напряжение - это напряжение между « + » и « - » усилителя, рабочее напряжение есть сумма нормального и синфазного напряжения),что представляет опасный уровень напряжения для устройств сбора с меньшим рабочим напряжением.
При изоляции общая точка усилителя электрически отделена от нуля заземления. В схеме на рисунке 4 потенциал в общей точке усилителя «приподнят» на уровень +14 V. Такой прием приводит к тому, величина входного напряжения падает с 16 до 2 В.Теперь сбора данных, устройства больше не на риск перенапряжения ущерб. (Обратите внимание, что изоляторы имеют максимальную синфазного напряжения они могут отвергнуть.)
После того как устройство сбора данных изолировано и защищено, последним шагом при комплектовании токовой петли является выбор соответствующего источника питания.
Выбор источника питания
Определить, какой источник питания наилучшим образом отвечает вашим требованиям, весьма просто. При работе в токовой петле, блок питания должен выдавать напряжение, равное или большее, чем сумма падений напряжений на всех элементах системы.
Устройство сбора данных в нашем примере использует прецизионной шунт для измерения тока.
Необходимо рассчитать падение напряжения на этом резисторе. Типовой шунтирующий резистор имеет сопротивление 249 Ω. Основные расчеты при диапазоне тока в токовой петле 4 .. 20 мА
показывают следующее:
I*R=U
0,004A*249Ω= 0,996 V
0,02A*249Ω= 4,98 V
С шунта сопротивлением 249 Ω мы можем снять напряжение в диапазоне от 1 до 5 В, увязав величину напряжения на входе устройства сбора данных с величиной выходного сигнала преобразователя давления.
Как уже упоминалось,преобразователь давления требует минимального рабочего напряжения 12 В при максимальным 30 В. Добавив падение напряжения на прецизионном шунтирующем резисторе к рабочему напряжению преобразователя, получаем следующее:
12 В+ 5 В=17 В
На первый взгляд, хватит напряжения 17В.Необходимо,однако, учесть дополнительную нагрузку на блок питания, которую создают провода, имеющее электрическое сопротивление.
В случаях, когда датчик находится далеко от измерительных приборов, вы должны учитывать фактор сопротивления проводов при расчетах токовой петли. Медные провода имеют сопротивление постоянному току, которое прямо пропорционально их длине. С датчиком давления из рассматриваемого примера вам необходимо учесть 2000 футов длины линии связи при определении рабочего напряжения источника питания. Погонное сопротивление одножильного медного кабеля 2.62 Ω/100 футов. Учет этого сопротивления дает следующее:
Сопротивление одной жилы длиной 2000 футов составит 2000*2,62/100= 52,4 м.
Падение напряжения на одной жиле составит0,02* 52,4= 1,048 В.
Чтобы замкнуть цепь,необходимы два провода,тогда длина линии связи удваивается, и
полное падение напряжения составит 2,096 В. В итоге около 2.1 В благодаря тому,что расстояние от преобразователя до вторичного прибора составляет 2000 футов. Просуммировав падения напряжения на всех элементах контура, получим:
2,096 В + 12 В+ 5 В=19,096 В
Если вы использовали 17 V для питания рассматриваемой схемы, то напряжение, подаваемое на преобразователь давления будет ниже минимального рабочего напряжения за счет падения на сопротивлении проводов и шунтирующем резисторе. Выбор типового источник питания 24 В удовлетворит требованиям по питанию для преобразователя. Дополнительно имеется запас напряжения для того, чтобы разместить датчик давления на большем расстоянии.
С выбором правильно подобранных преобразователя, устройства сбора данных, длины кабелей и источника питания разработка простой токовой петли завершена. Для более сложных приложений вы можете включить дополнительные каналы измерений в систему.
Получившие наибольшее распространение в сфере автоматизации производства датчики с унифицированным токовым выходом 4-20, 0-50 или 0-20 мА могут иметь различные схемы подключения к вторичным приборам. Современные датчики, имеющие низкое энергопотребление и токовый выход 4-20 мА, чаще всего подключают по двухпроводной схеме. То есть к такому датчику подключается всего один кабель с двумя жилами, по которым этот датчик запитывается, и по этим же двум жилам осуществляется передача .
Как правило, датчики с выходом 4-20 мА и двухпроводной схемой подключения имеют пассивный выход и им для работы необходим внешний источник питания. Этот источник питания может быть встроен непосредственно во вторичный прибор (в его вход) и при подключении датчика к такому прибору в сигнальной цепи сразу появляется ток. О приборах, которые имеют встроенный во вход источник питания для датчика, говорят, что это приборы с активным входом.
Большинство современных вторичных приборов и контроллеров имеет встроенные источники питания для работы с датчиками с пассивными выходами.
Если же вторичный прибор имеет пассивный вход - по сути, просто резистор, с которого измерительная схема прибора "считывает" падение напряжения, пропорциональное протекающему в цепи току, то для работы датчика необходим дополнительный . Внешний блок питания в этом случае включается последовательно с датчиком и вторичным прибором в разрыв токовой петли.
Вторичные приборы обычно проектируются и выпускаются с таким расчетом, чтобы к ним можно было подключить как двухпроводные датчики 4-20 мА, так и датчики 0-5, 0-20 или 4-20 мА, подключаемые по трехпроводной схеме. Для подключения двухпроводного датчика к входу вторичного прибора с тремя входными клеммами (+U, вход и общий) задействуют клеммы "+U" и "вход", клемма "общий" остается свободной.
Так как датчики, как уже было сказано выше, могут иметь не только выход 4-20 мА, а, например, 0-5 или 0-20 мА или их невозможно подключить по двухпроводной схеме из-за большого собственного энергопотребления (более 3 мА), то применяют трехпроводную схему подключения. В этом случае цепи питания датчика и цепи выходного сигнала разделены. Датчики имеющие трехпроводную схему подключения обычно имеют активный выход. То есть, если подать на датчик с активным выходом напряжение питания и между его выходными клеммами "выход" и "общий" подключить нагрузочное сопротивление, то в выходной цепи побежит ток, пропорциональный величине измеряемого параметра.
Вторичные приборы обычно имеют достаточно маломощный встроенный блок питания для запитки датчиков. Максимальный выходной ток встроенных блоков питания обычно находиться в пределах 22-50 мА, чего не всегда достаточно для питания датчиков имеющих большое энергопотребление: электромагнитных расходомеров, инфракрасных газоанализаторов и т.п. В этом случае для питания трехпроводного датчика приходиться использовать внешний, более мощный блок питания, обеспечивающий необходимую мощность. Встроенный во вторичный прибор источник питания при этом не используется.
Подобная схема включения трехпроводных датчиков обычно используется и в том случае, когда напряжение встроенного в прибор источника питания не соответствует тому напряжению питания, которое допускается подавать на этот датчик. Например, встроенный источник питания имеет выходное напряжение 24В, а датчик разрешается питать напряжением от 10 до 16В.
Некоторые вторичные приборы могут иметь несколько входных каналов и достаточно мощный блок питания для запитки внешних датчиков. Необходимо помнить, что суммарная потребляемая мощность всех подключенных к такому многоканальному прибору датчиков должна быть меньше мощности встроенного источника питания, предназначенного для их питания. Кроме того, изучая технические характеристики прибора необходимо четко различать назначение встроенных в него блоков (источников) питания. Один встроенный источник используется для питания непосредственно самого вторичного прибора - для работы дисплея и индикаторов, выходных реле, электронной схемы прибора и т.п. Этот источник питания может иметь достаточно большую мощность. Второй встроенный источник используется для запитки исключительно входных цепей - подключенных к входам датчиков.
Перед подключением датчика к вторичному прибору следует внимательно изучить руководства по эксплуатации на данное оборудование, определить типы входов и выходов (активный/пассивный), проверить соответствие потребляемой датчиком мощности и мощности источника питания (встроенного или внешнего) и только после этого производить подключение. Реальные обозначения входных и выходных клемм датчиков и приборов могут отличаться от тех, что приведены выше. Так клеммы "Вх (+)" и "Вх (-)" могут иметь обозначение +J и -J, +4-20 и -4-20, +In и -In и т.п. Клемма "+U пит" может быть обозначена как +V, Supply, +24V и т.п., клемма "Выход" - Out, Sign, Jout, 4-20 mA и т.п., клемма "общий" - GND, -24V, 0V и т.п., но смысла это не меняет.
Датчики с токовым выходом имеющие четырехпроводную схему подключения имеют аналогичную схему подключения, что и двухпроводные датчики с той лишь разницей, что питание четырепроводных датчиков осуществляется по отдельной паре проводов. Кроме того, четырехпроводные датчики могут иметь как , что необходимо учитывать при выборе схемы подключения.
