Σύνδεση αισθητήρα 4 σε 1 με τον ελεγκτή. Αναλογικοί αισθητήρες: εφαρμογή, μέθοδοι σύνδεσης με τον ελεγκτή. Το σύστημα αποτελείται από

Εδώ έθεσα ξεχωριστά ένα τόσο σημαντικό πρακτικό ζήτημα όπως η σύνδεση επαγωγικών αισθητήρων με έξοδο τρανζίστορ, οι οποίοι είναι πανταχού παρόντες στον σύγχρονο βιομηχανικό εξοπλισμό. Επιπλέον, παρέχονται πραγματικές οδηγίες για τους αισθητήρες και συνδέσεις με παραδείγματα.

Η αρχή της ενεργοποίησης (λειτουργίας) των αισθητήρων μπορεί να είναι οτιδήποτε - επαγωγική (εγγύτητα), οπτική (φωτοηλεκτρική) κ.λπ.

Στο πρώτο μέρος, περιγράφηκαν πιθανές επιλογές για εξόδους αισθητήρων. Δεν πρέπει να υπάρχουν προβλήματα με τη σύνδεση αισθητήρων με επαφές (έξοδος ρελέ). Αλλά με τα τρανζίστορ και τη σύνδεση με έναν ελεγκτή, δεν είναι όλα τόσο απλά.

Διαγράμματα σύνδεσης για αισθητήρες PNP και NPN

Η διαφορά μεταξύ των αισθητήρων PNP και NPN είναι ότι αλλάζουν διαφορετικούς πόλους της πηγής ισχύος. Το PNP (από τη λέξη "Θετικό") αλλάζει τη θετική έξοδο του τροφοδοτικού, NPN - αρνητικό.

Παρακάτω, για παράδειγμα, υπάρχουν διαγράμματα για τη σύνδεση αισθητήρων με έξοδο τρανζίστορ. Φόρτωση – κατά κανόνα, αυτή είναι η είσοδος του ελεγκτή.

Αισθητήρας. Το φορτίο (Load) συνδέεται συνεχώς στο "μείον" (0V), η τροφοδοσία του διακριτού "1" (+V) αλλάζει από ένα τρανζίστορ. Αισθητήρας NO ή NC - εξαρτάται από το κύκλωμα ελέγχου (Κύριο κύκλωμα)

Αισθητήρας. Το φορτίο (Load) συνδέεται συνεχώς με το «συν» (+V). Εδώ, το ενεργό επίπεδο (διακριτό «1») στην έξοδο του αισθητήρα είναι χαμηλό (0V), ενώ το φορτίο τροφοδοτείται με ισχύ μέσω του ανοιχτού τρανζίστορ.

Προτρέπω όλους να μην μπερδεύονται· η λειτουργία αυτών των σχημάτων θα περιγραφεί λεπτομερώς παρακάτω.

Τα παρακάτω διαγράμματα δείχνουν βασικά το ίδιο πράγμα. Δίνεται έμφαση στις διαφορές στα κυκλώματα εξόδου PNP και NPN.

Διαγράμματα σύνδεσης για εξόδους αισθητήρων NPN και PNP

Στην αριστερή εικόνα υπάρχει ένας αισθητήρας με τρανζίστορ εξόδου NPN. Το κοινό καλώδιο είναι εναλλαγή, το οποίο σε αυτή την περίπτωση είναι το αρνητικό καλώδιο της πηγής ρεύματος.

Στα δεξιά είναι η θήκη με ένα τρανζίστορ PNPστην έξοδο. Αυτή η περίπτωση είναι η πιο κοινή, αφού στα σύγχρονα ηλεκτρονικά συνηθίζεται να γίνεται κοινό το αρνητικό καλώδιο του τροφοδοτικού και να ενεργοποιούνται οι είσοδοι ελεγκτών και άλλων συσκευών εγγραφής με θετικό δυναμικό.

Πώς να ελέγξετε έναν επαγωγικό αισθητήρα;

Για να γίνει αυτό, πρέπει να τροφοδοτήσετε με ρεύμα, δηλαδή να το συνδέσετε στο κύκλωμα. Στη συνέχεια – ενεργοποιήστε το (ξεκινήστε). Όταν ενεργοποιηθεί, η ένδειξη θα ανάψει. Αλλά η ένδειξη δεν εγγυάται τη σωστή λειτουργία του επαγωγικού αισθητήρα. Πρέπει να συνδέσετε το φορτίο και να μετρήσετε την τάση σε αυτό για να είστε 100% σίγουροι.

Αντικατάσταση αισθητήρων

Όπως έγραψα ήδη, υπάρχουν βασικά 4 τύποι αισθητήρων με έξοδο τρανζίστορ, οι οποίοι χωρίζονται ανάλογα με την εσωτερική δομή και το κύκλωμα μεταγωγής:

• PNP ΑΡ
• PNP NC
• NPN ΑΡ
• NPN NC

Όλοι αυτοί οι τύποι αισθητήρων μπορούν να αντικατασταθούν μεταξύ τους, π.χ. είναι εναλλάξιμα.

Αυτό υλοποιείται με τους εξής τρόπους:

• Αλλαγή της συσκευής εκκίνησης - ο σχεδιασμός αλλάζει μηχανικά.
• Αλλαγή του υπάρχοντος κυκλώματος σύνδεσης αισθητήρα.
• Εναλλαγή του τύπου εξόδου του αισθητήρα (αν υπάρχουν τέτοιοι διακόπτες στο σώμα του αισθητήρα).
• Επαναπρογραμματισμός προγράμματος – αλλαγή του ενεργού επιπέδου μιας δεδομένης εισόδου, αλλαγή του αλγόριθμου προγράμματος.

Ακολουθεί ένα παράδειγμα για το πώς μπορείτε να αντικαταστήσετε έναν αισθητήρα PNP με έναν NPN αλλάζοντας το διάγραμμα σύνδεσης:

Σχέδια εναλλαξιμότητας PNP-NPN. Αριστερά είναι το αρχικό διάγραμμα, δεξιά το τροποποιημένο.

Η κατανόηση της λειτουργίας αυτών των κυκλωμάτων θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε το γεγονός ότι το τρανζίστορ είναι ένα βασικό στοιχείο που μπορεί να αναπαρασταθεί από συνηθισμένες επαφές ρελέ (παραδείγματα παρατίθενται παρακάτω στη σημείωση).

Λοιπόν, εδώ είναι το διάγραμμα στα αριστερά. Ας υποθέσουμε ότι ο τύπος του αισθητήρα είναι ΟΧΙ. Στη συνέχεια (ανεξάρτητα από τον τύπο του τρανζίστορ στην έξοδο), όταν ο αισθητήρας δεν είναι ενεργός, οι "επαφές" εξόδου του είναι ανοιχτές και δεν ρέει ρεύμα μέσα από αυτές. Όταν ο αισθητήρας είναι ενεργός, οι επαφές είναι κλειστές, με όλες τις επακόλουθες συνέπειες. Πιο συγκεκριμένα, με ρεύμα που ρέει μέσω αυτών των επαφών)). Το ρεύμα που ρέει δημιουργεί πτώση τάσης στο φορτίο.

Το εσωτερικό φορτίο εμφανίζεται με διακεκομμένη γραμμή για κάποιο λόγο. Αυτή η αντίσταση υπάρχει, αλλά η παρουσία της δεν εγγυάται τη σταθερή λειτουργία του αισθητήρα· ο αισθητήρας πρέπει να συνδεθεί στην είσοδο του ελεγκτή ή άλλο φορτίο. Η αντίσταση αυτής της εισόδου είναι το κύριο φορτίο.

Εάν δεν υπάρχει εσωτερικό φορτίο στον αισθητήρα και ο συλλέκτης "κρέμεται στον αέρα", τότε αυτό ονομάζεται "ανοιχτό κύκλωμα συλλέκτη". Αυτό το κύκλωμα λειτουργεί ΜΟΝΟ με συνδεδεμένο φορτίο.

Έτσι, σε ένα κύκλωμα με έξοδο PNP, όταν ενεργοποιηθεί, παρέχεται τάση (+V) στην είσοδο του ελεγκτή μέσω ενός ανοιχτού τρανζίστορ και ενεργοποιείται. Πώς μπορούμε να πετύχουμε το ίδιο με την έξοδο NPN;

Υπάρχουν περιπτώσεις όπου ο απαιτούμενος αισθητήρας δεν είναι διαθέσιμος και το μηχάνημα πρέπει να λειτουργεί "αυτή τη στιγμή".

Εξετάζουμε τις αλλαγές στο διάγραμμα στα δεξιά. Πρώτα απ 'όλα, διασφαλίζεται ο τρόπος λειτουργίας του τρανζίστορ εξόδου του αισθητήρα. Για να γίνει αυτό, προστίθεται μια πρόσθετη αντίσταση στο κύκλωμα, η αντίστασή της είναι συνήθως περίπου 5,1 - 10 kOhm. Τώρα, όταν ο αισθητήρας δεν είναι ενεργός, η τάση (+V) παρέχεται στην είσοδο του ελεγκτή μέσω μιας πρόσθετης αντίστασης και η είσοδος του ελεγκτή ενεργοποιείται. Όταν ο αισθητήρας είναι ενεργός, υπάρχει ένα διακριτό "0" στην είσοδο του ελεγκτή, καθώς η είσοδος του ελεγκτή διακόπτεται από ένα ανοιχτό τρανζίστορ NPN και σχεδόν όλο το πρόσθετο ρεύμα αντίστασης διέρχεται από αυτό το τρανζίστορ.

Σε αυτήν την περίπτωση, λαμβάνει χώρα μια επαναφορά της λειτουργίας του αισθητήρα. Αλλά ο αισθητήρας λειτουργεί σε λειτουργία και ο ελεγκτής λαμβάνει πληροφορίες. Στις περισσότερες περιπτώσεις αυτό είναι αρκετό. Για παράδειγμα, στη λειτουργία μέτρησης παλμών - ένα στροφόμετρο ή ο αριθμός των τεμαχίων εργασίας.

Ναι, δεν είναι ακριβώς αυτό που θέλαμε και τα σχήματα εναλλαξιμότητας για αισθητήρες npn και pnp δεν είναι πάντα αποδεκτά.

Πώς να επιτύχετε πλήρη λειτουργικότητα; Μέθοδος 1 – μετακινήστε ή επανακατασκευάστε τη μεταλλική πλάκα (ενεργοποιητή) μηχανικά. Ή το διάκενο φωτός, αν μιλάμε για οπτικό αισθητήρα. Μέθοδος 2 – επαναπρογραμματίστε την είσοδο του ελεγκτή έτσι ώστε το διακριτό "0" να είναι η ενεργή κατάσταση του ελεγκτή και το "1" να είναι η παθητική κατάσταση. Εάν έχετε ένα φορητό υπολογιστή στο χέρι, τότε η δεύτερη μέθοδος είναι ταχύτερη και ευκολότερη.

Σύμβολο αισθητήρα εγγύτητας

Στα διαγράμματα κυκλώματος, οι επαγωγικοί αισθητήρες (αισθητήρες εγγύτητας) χαρακτηρίζονται διαφορετικά. Αλλά το κύριο πράγμα είναι ότι υπάρχει ένα τετράγωνο που περιστρέφεται κατά 45° και δύο κάθετες γραμμές σε αυτό. Όπως στα διαγράμματα που φαίνονται παρακάτω.

ΟΧΙ αισθητήρες NC. Σχηματικά διαγράμματα.

Στο επάνω διάγραμμα υπάρχει μια κανονικά ανοιχτή (NO) επαφή (συμβατικά οριζόμενο τρανζίστορ PNP). Το δεύτερο κύκλωμα είναι συνήθως κλειστό και το τρίτο κύκλωμα είναι και οι δύο επαφές σε ένα περίβλημα.

Χρωματική κωδικοποίηση καλωδίων αισθητήρα

Υπάρχει ένα τυπικό σύστημα σήμανσης αισθητήρων. Όλοι οι κατασκευαστές τηρούν αυτήν τη στιγμή.

Ωστόσο, πριν την εγκατάσταση, καλό είναι να βεβαιωθείτε ότι η σύνδεση είναι σωστή ανατρέχοντας στο εγχειρίδιο σύνδεσης (οδηγίες). Επιπλέον, κατά κανόνα, τα χρώματα των καλωδίων υποδεικνύονται στον ίδιο τον αισθητήρα, εάν το επιτρέπει το μέγεθός του.

Αυτή είναι η σήμανση.

• Μπλε – Ισχύς μείον
• Καφέ – Plus
• Μαύρο – Έξοδος
• Λευκό – δεύτερη έξοδος ή είσοδος ελέγχου,πρέπει να δείτε τις οδηγίες.

Σύστημα χαρακτηρισμού επαγωγικών αισθητήρων

Ο τύπος του αισθητήρα υποδεικνύεται με έναν ψηφιακό-αλφαβητικό κωδικό, ο οποίος κωδικοποιεί τις κύριες παραμέτρους του αισθητήρα. Παρακάτω είναι το σύστημα ετικετών για δημοφιλείς αισθητήρες Autonics.

Κατεβάστε οδηγίες και εγχειρίδια για ορισμένους τύπους επαγωγικών αισθητήρων:Συναντιέμαι στη δουλειά μου.

Σας ευχαριστώ όλους για την προσοχή σας, περιμένω ερωτήσεις σχετικά με τη σύνδεση αισθητήρων στα σχόλια!

Στη διαδικασία αυτοματοποίησης των τεχνολογικών διαδικασιών για τον έλεγχο μηχανισμών και μονάδων, πρέπει κανείς να ασχοληθεί με μετρήσεις διαφόρων φυσικών μεγεθών. Αυτό μπορεί να είναι θερμοκρασία, πίεση και ροή υγρού ή αερίου, ταχύτητα περιστροφής, ένταση φωτός, πληροφορίες για τη θέση των τμημάτων των μηχανισμών και πολλά άλλα. Αυτές οι πληροφορίες λαμβάνονται με τη χρήση αισθητήρων. Εδώ, πρώτα, για τη θέση των τμημάτων των μηχανισμών.

Διακριτές αισθητήρες

Ο απλούστερος αισθητήρας είναι μια συνηθισμένη μηχανική επαφή: η πόρτα ανοίγει - η επαφή ανοίγει, κλείνει - κλείνει. Ένας τόσο απλός αισθητήρας, καθώς και ο δεδομένος αλγόριθμος λειτουργίας, συχνά... Για έναν μηχανισμό με μεταφορική κίνηση, ο οποίος έχει δύο θέσεις, για παράδειγμα μια βαλβίδα νερού, θα χρειαστείτε δύο επαφές: η μία επαφή είναι κλειστή - η βαλβίδα είναι κλειστή, η άλλη είναι κλειστή - είναι κλειστή.

Ένας πιο σύνθετος αλγόριθμος για μεταφορική κίνηση έχει μηχανισμό για το κλείσιμο του θερμοπλαστικού καλουπιού της αυτόματης μηχανής. Αρχικά, το καλούπι είναι ανοιχτό, αυτή είναι η αρχική θέση. Σε αυτή τη θέση, τα τελικά προϊόντα αφαιρούνται από το καλούπι. Στη συνέχεια, ο εργαζόμενος κλείνει το προστατευτικό ασφαλείας και το καλούπι αρχίζει να κλείνει και ξεκινά ένας νέος κύκλος εργασίας.

Η απόσταση μεταξύ των μισών του καλουπιού είναι αρκετά μεγάλη. Επομένως, στην αρχή το καλούπι κινείται γρήγορα και σε κάποια απόσταση πριν κλείσουν τα μισά, ενεργοποιείται ο οριακός διακόπτης, η ταχύτητα κίνησης μειώνεται σημαντικά και το καλούπι κλείνει ομαλά.

Αυτός ο αλγόριθμος σάς επιτρέπει να αποφύγετε την κρούση κατά το κλείσιμο του καλουπιού, διαφορετικά μπορεί απλά να σπάσει σε μικρά κομμάτια. Η ίδια αλλαγή στην ταχύτητα συμβαίνει κατά το άνοιγμα του καλουπιού. Εδώ δύο αισθητήρες επαφής δεν αρκούν πλέον.

Έτσι, οι αισθητήρες που βασίζονται σε επαφή είναι διακριτοί ή δυαδικοί, έχουν δύο θέσεις, κλειστή - ανοιχτή ή 1 και 0. Με άλλα λόγια, μπορούμε να πούμε ότι έχει συμβεί ένα συμβάν ή όχι. Στο παραπάνω παράδειγμα, πολλά σημεία «πιάνονται» από τις επαφές: η αρχή της κίνησης, το σημείο της μείωσης της ταχύτητας, το τέλος της κίνησης.

Στη γεωμετρία, ένα σημείο δεν έχει διαστάσεις, μόνο ένα σημείο και τέλος. Μπορεί είτε να είναι (σε ​​ένα χαρτί, στην τροχιά της κίνησης, όπως στην περίπτωσή μας) είτε απλά να μην υπάρχει. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται διακριτοί αισθητήρες για την ανίχνευση σημείων. Ίσως μια σύγκριση με ένα σημείο δεν είναι πολύ κατάλληλη εδώ, επειδή για πρακτικούς σκοπούς χρησιμοποιούν την ακρίβεια της απόκρισης ενός διακριτού αισθητήρα και αυτή η ακρίβεια είναι πολύ μεγαλύτερη από το γεωμετρικό σημείο.

Αλλά η ίδια η μηχανική επαφή είναι αναξιόπιστη. Επομένως, όπου είναι δυνατόν, οι μηχανικές επαφές αντικαθίστανται από αισθητήρες ανέπαφων. Η απλούστερη επιλογή είναι οι διακόπτες καλαμιού: ο μαγνήτης πλησιάζει, η επαφή κλείνει. Η ακρίβεια του διακόπτη καλαμιού αφήνει πολλά να είναι επιθυμητά· τέτοιοι αισθητήρες πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο για τον προσδιορισμό της θέσης των θυρών.

Διάφοροι ανεπαφικοί αισθητήρες θα πρέπει να θεωρούνται πιο περίπλοκη και ακριβής επιλογή. Εάν η μεταλλική σημαία εισήλθε στην υποδοχή, ο αισθητήρας ενεργοποιήθηκε. Ένα παράδειγμα τέτοιων αισθητήρων είναι οι αισθητήρες BVK (Contactless Limit Switch) διαφόρων σειρών. Η ακρίβεια απόκρισης (διαφορικό διαδρομής) τέτοιων αισθητήρων είναι 3 χιλιοστά.

Εικόνα 1. Αισθητήρας σειράς BVK

Η τάση τροφοδοσίας των αισθητήρων BVK είναι 24 V, το ρεύμα φορτίου είναι 200 ​​mA, το οποίο είναι αρκετό για τη σύνδεση ενδιάμεσων ρελέ για περαιτέρω συντονισμό με το κύκλωμα ελέγχου. Έτσι χρησιμοποιούνται οι αισθητήρες BVK σε διάφορους εξοπλισμούς.

Εκτός από τους αισθητήρες BVK, χρησιμοποιούνται επίσης αισθητήρες των τύπων BTP, KVP, PIP, KVD, PISH. Κάθε σειρά έχει διάφορους τύπους αισθητήρων, που ορίζονται με αριθμούς, για παράδειγμα, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Όλοι οι αναφερόμενοι αισθητήρες είναι διακριτοί χωρίς επαφή, ο κύριος σκοπός τους είναι να προσδιορίσουν τη θέση τμημάτων μηχανισμών και συγκροτημάτων. Φυσικά, υπάρχουν πολλοί περισσότεροι από αυτούς τους αισθητήρες· είναι αδύνατο να γράψουμε για όλους σε ένα άρθρο. Διάφοροι αισθητήρες επαφής είναι ακόμη πιο συνηθισμένοι και εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως.

Εφαρμογή αναλογικών αισθητήρων

Εκτός από τους διακριτούς αισθητήρες, οι αναλογικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα αυτοματισμού. Σκοπός τους είναι να λάβουν πληροφορίες για διάφορα φυσικά μεγέθη, και όχι μόνο γενικά, αλλά σε πραγματικό χρόνο. Πιο συγκεκριμένα, η μετατροπή μιας φυσικής ποσότητας (πίεση, θερμοκρασία, φωτισμός, ροή, τάση, ρεύμα) σε ηλεκτρικό σήμα κατάλληλο για μετάδοση μέσω γραμμών επικοινωνίας στον ελεγκτή και η περαιτέρω επεξεργασία του.

Οι αναλογικοί αισθητήρες βρίσκονται συνήθως αρκετά μακριά από τον ελεγκτή, γι' αυτό και ονομάζονται συχνά συσκευές πεδίου. Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται συχνά στην τεχνική βιβλιογραφία.

Ένας αναλογικός αισθητήρας συνήθως αποτελείται από πολλά μέρη. Το πιο σημαντικό μέρος είναι το στοιχείο αισθητήρα - αισθητήρας. Σκοπός του είναι να μετατρέψει τη μετρούμενη τιμή σε ηλεκτρικό σήμα. Αλλά το σήμα που λαμβάνεται από τον αισθητήρα είναι συνήθως μικρό. Για να αποκτήσετε ένα σήμα κατάλληλο για ενίσχυση, ο αισθητήρας περιλαμβάνεται συχνότερα σε ένα κύκλωμα γέφυρας - Γέφυρα Wheatstone.

Εικόνα 2. Γέφυρα Wheatstone

Ο αρχικός σκοπός ενός κυκλώματος γέφυρας είναι να μετρήσει με ακρίβεια την αντίσταση. Μια πηγή DC συνδέεται στη διαγώνιο της γέφυρας AD. Ένα ευαίσθητο γαλβανόμετρο με μέσο σημείο, με μηδέν στο μέσο της κλίμακας, συνδέεται με την άλλη διαγώνιο. Για να μετρήσετε την αντίσταση της αντίστασης Rx, περιστρέφοντας την αντίσταση συντονισμού R2, θα πρέπει να επιτύχετε την ισορροπία της γέφυρας και να ρυθμίσετε τη βελόνα του γαλβανόμετρου στο μηδέν.

Η απόκλιση του βέλους του οργάνου προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση σας επιτρέπει να προσδιορίσετε την κατεύθυνση περιστροφής της αντίστασης R2. Η τιμή της μετρούμενης αντίστασης καθορίζεται από την κλίμακα σε συνδυασμό με τη λαβή της αντίστασης R2. Η συνθήκη ισορροπίας για τη γέφυρα είναι η ισότητα των αναλογιών R1/R2 και Rx/R3. Σε αυτή την περίπτωση, λαμβάνεται μηδενική διαφορά δυναμικού μεταξύ των σημείων BC και δεν ρέει ρεύμα μέσω του γαλβανόμετρου V.

Η αντίσταση των αντιστάσεων R1 και R3 επιλέγεται με μεγάλη ακρίβεια, η εξάπλωσή τους πρέπει να είναι ελάχιστη. Μόνο σε αυτή την περίπτωση, ακόμη και μια μικρή ανισορροπία της γέφυρας προκαλεί μια αρκετά αισθητή αλλαγή στην τάση της διαγώνιας BC. Είναι αυτή η ιδιότητα της γέφυρας που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση ευαίσθητων στοιχείων (αισθητήρων) διαφόρων αναλογικών αισθητήρων. Λοιπόν, όλα είναι απλά, θέμα τεχνικής.

Για να χρησιμοποιηθεί το σήμα που λαμβάνεται από τον αισθητήρα, απαιτείται περαιτέρω επεξεργασία - ενίσχυση και μετατροπή σε σήμα εξόδου κατάλληλο για μετάδοση και επεξεργασία από το κύκλωμα ελέγχου - ελεγκτής. Τις περισσότερες φορές, το σήμα εξόδου των αναλογικών αισθητήρων είναι ρεύμα (βρόχος αναλογικού ρεύματος), λιγότερο συχνά τάση.

Γιατί τρέχον; Το γεγονός είναι ότι τα στάδια εξόδου των αναλογικών αισθητήρων κατασκευάζονται με βάση τις πηγές ρεύματος. Αυτό σας επιτρέπει να απαλλαγείτε από την επίδραση της αντίστασης των γραμμών σύνδεσης στο σήμα εξόδου και να χρησιμοποιήσετε μεγάλες γραμμές σύνδεσης.

Η περαιτέρω μετατροπή είναι αρκετά απλή. Το σήμα ρεύματος μετατρέπεται σε τάση, για την οποία αρκεί να περάσει το ρεύμα μέσω μιας αντίστασης γνωστής αντίστασης. Η πτώση τάσης στην αντίσταση μέτρησης προκύπτει σύμφωνα με το νόμο του Ohm U=I*R.

Για παράδειγμα, για ρεύμα 10 mA σε αντίσταση με αντίσταση 100 Ohm, η τάση θα είναι 10 * 100 = 1000 mV, όσο 1 βολτ! Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα εξόδου του αισθητήρα δεν εξαρτάται από την αντίσταση των καλωδίων σύνδεσης. Μέσα σε λογικά όρια, φυσικά.

Σύνδεση αναλογικών αισθητήρων

Η τάση που λαμβάνεται στην αντίσταση μέτρησης μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε ψηφιακή μορφή κατάλληλη για είσοδο στον ελεγκτή. Η μετατροπή γίνεται χρησιμοποιώντας μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό ADC.

Τα ψηφιακά δεδομένα μεταδίδονται στον ελεγκτή με σειριακό ή παράλληλο κωδικό. Όλα εξαρτώνται από το συγκεκριμένο κύκλωμα μεταγωγής. Ένα απλοποιημένο διάγραμμα σύνδεσης για έναν αναλογικό αισθητήρα φαίνεται στο Σχήμα 3.

Εικόνα 3. Σύνδεση αναλογικού αισθητήρα (κάντε κλικ στην εικόνα για μεγέθυνση)

Οι ενεργοποιητές συνδέονται με τον ελεγκτή ή ο ίδιος ο ελεγκτής είναι συνδεδεμένος σε έναν υπολογιστή που περιλαμβάνεται στο σύστημα αυτοματισμού.

Φυσικά, οι αναλογικοί αισθητήρες έχουν πλήρη σχεδιασμό, ένα από τα στοιχεία του οποίου είναι ένα περίβλημα με συνδετικά στοιχεία. Για παράδειγμα, το σχήμα 4 δείχνει την εμφάνιση ενός αισθητήρα υπερπίεσης τύπου Zond-10.

Εικόνα 4. Αισθητήρας υπερπίεσης Zond-10

Στο κάτω μέρος του αισθητήρα μπορείτε να δείτε το νήμα σύνδεσης για τη σύνδεση με τον αγωγό και στα δεξιά κάτω από το μαύρο κάλυμμα υπάρχει ένας σύνδεσμος για τη σύνδεση της γραμμής επικοινωνίας με τον ελεγκτή.

Η σύνδεση με σπείρωμα σφραγίζεται με ροδέλα από ανοπτημένο χαλκό (περιλαμβάνεται στη συσκευασία παράδοσης του αισθητήρα) και όχι με περιέλιξη με ταινία καπνού ή λινάρι. Αυτό γίνεται έτσι ώστε κατά την εγκατάσταση του αισθητήρα, το στοιχείο αισθητήρα που βρίσκεται μέσα να μην παραμορφώνεται.

Έξοδοι αναλογικών αισθητήρων

Σύμφωνα με τα πρότυπα, υπάρχουν τρία εύρη σημάτων ρεύματος: 0...5mA, 0...20mA και 4...20mA. Ποια είναι η διαφορά τους και ποια τα χαρακτηριστικά τους;

Τις περισσότερες φορές, η εξάρτηση του ρεύματος εξόδου είναι ευθέως ανάλογη με τη μετρούμενη τιμή, για παράδειγμα, όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση στον σωλήνα, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα στην έξοδο του αισθητήρα. Αν και μερικές φορές χρησιμοποιείται αντίστροφη μεταγωγή: ένα μεγαλύτερο ρεύμα εξόδου αντιστοιχεί στην ελάχιστη τιμή της μετρούμενης ποσότητας στην έξοδο του αισθητήρα. Όλα εξαρτώνται από τον τύπο του ελεγκτή που χρησιμοποιείται. Μερικοί αισθητήρες έχουν ακόμη και διακόπτη από άμεσο σε αντίστροφο σήμα.

Το σήμα εξόδου στην περιοχή 0...5mA είναι πολύ μικρό και επομένως επιρρεπές σε παρεμβολές. Εάν το σήμα ενός τέτοιου αισθητήρα κυμαίνεται ενώ η τιμή της μετρούμενης παραμέτρου παραμένει αμετάβλητη, τότε υπάρχει σύσταση να εγκαταστήσετε έναν πυκνωτή χωρητικότητας 0,1...1 μF παράλληλα με την έξοδο του αισθητήρα. Το τρέχον σήμα στην περιοχή 0...20mA είναι πιο σταθερό.

Αλλά και οι δύο αυτές περιοχές είναι κακές γιατί το μηδέν στην αρχή της κλίμακας δεν μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε με σαφήνεια τι συνέβη. Ή μήπως το μετρούμενο σήμα έφτασε στην πραγματικότητα το μηδενικό επίπεδο, κάτι που είναι καταρχήν δυνατό, ή απλώς έσπασε η γραμμή επικοινωνίας; Επομένως, εάν είναι δυνατόν, προσπαθούν να αποφύγουν τη χρήση αυτών των σειρών.

Το σήμα από αναλογικούς αισθητήρες με ρεύμα εξόδου στην περιοχή 4...20 mA θεωρείται πιο αξιόπιστο. Η ασυλία θορύβου του είναι αρκετά υψηλή και το κατώτερο όριο, ακόμη και αν το μετρούμενο σήμα έχει μηδενικό επίπεδο, θα είναι 4 mA, κάτι που μας επιτρέπει να πούμε ότι η γραμμή επικοινωνίας δεν έχει σπάσει.

Ένα άλλο καλό χαρακτηριστικό της σειράς 4...20mA είναι ότι οι αισθητήρες μπορούν να συνδεθούν χρησιμοποιώντας μόνο δύο καλώδια, καθώς αυτό είναι το ρεύμα που τροφοδοτεί τον ίδιο τον αισθητήρα. Αυτή είναι η τρέχουσα κατανάλωσή του και ταυτόχρονα ένα σήμα μέτρησης.

Η τροφοδοσία για αισθητήρες στην περιοχή 4...20mA είναι ενεργοποιημένη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Ταυτόχρονα, οι αισθητήρες Zond-10, όπως πολλοί άλλοι, σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων τους έχουν ένα ευρύ φάσμα τάσης τροφοδοσίας 10 ...38V, αν και χρησιμοποιούνται συχνότερα με τάση 24V.

Εικόνα 5. Σύνδεση αναλογικού αισθητήρα με εξωτερικό τροφοδοτικό

Αυτό το διάγραμμα περιέχει τα ακόλουθα στοιχεία και σύμβολα. Το Rsh είναι η αντίσταση διακλάδωσης μέτρησης, τα Rl1 και Rl2 είναι η αντίσταση των γραμμών επικοινωνίας. Για να αυξηθεί η ακρίβεια μέτρησης, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια αντίσταση μέτρησης ακριβείας ως Rsh. Η ροή του ρεύματος από την πηγή ισχύος φαίνεται με βέλη.

Είναι εύκολο να διαπιστωθεί ότι το ρεύμα εξόδου του τροφοδοτικού περνάει από τον ακροδέκτη +24V, μέσω της γραμμής Rl1 φτάνει στον ακροδέκτη αισθητήρα +AO2, περνά μέσα από τον αισθητήρα και μέσω της επαφής εξόδου του αισθητήρα - AO2, γραμμή σύνδεσης Rl2, η αντίσταση Rsh επιστρέφει στον ακροδέκτη τροφοδοσίας -24 V. Αυτό είναι όλο, το κύκλωμα είναι κλειστό, το ρεύμα ρέει.

Εάν ο ελεγκτής περιέχει τροφοδοτικό 24 V, τότε είναι δυνατή η σύνδεση αισθητήρα ή μορφοτροπέα μέτρησης σύμφωνα με το διάγραμμα που φαίνεται στην Εικόνα 6.

Εικόνα 6. Σύνδεση αναλογικού αισθητήρα σε ελεγκτή με εσωτερική παροχή ρεύματος

Αυτό το διάγραμμα δείχνει ένα ακόμη στοιχείο - την αντίσταση έρματος Rb. Σκοπός του είναι να προστατεύει την αντίσταση μέτρησης σε περίπτωση βραχυκυκλώματος στη γραμμή επικοινωνίας ή δυσλειτουργίας του αναλογικού αισθητήρα. Η εγκατάσταση της αντίστασης Rb είναι προαιρετική, αν και επιθυμητή.

Εκτός από διάφορους αισθητήρες, οι μορφοτροπείς μέτρησης έχουν επίσης έξοδο ρεύματος, οι οποίοι χρησιμοποιούνται αρκετά συχνά σε συστήματα αυτοματισμού.

Μετατροπέας- μια συσκευή για τη μετατροπή επιπέδων τάσης, για παράδειγμα, 220 V ή ρεύμα πολλών δεκάδων ή εκατοντάδων αμπέρ σε σήμα ρεύματος 4...20 mA. Εδώ απλά μετατρέπεται το επίπεδο του ηλεκτρικού σήματος και όχι η αναπαράσταση κάποιου φυσικού μεγέθους (ταχύτητα, ροή, πίεση) σε ηλεκτρική μορφή.

Αλλά, κατά κανόνα, ένας μόνο αισθητήρας δεν αρκεί. Μερικές από τις πιο δημοφιλείς μετρήσεις είναι οι μετρήσεις θερμοκρασίας και πίεσης. Ο αριθμός τέτοιων σημείων στα σύγχρονα εργοστάσια μπορεί να φτάσει αρκετές δεκάδες χιλιάδες. Αντίστοιχα, ο αριθμός των αισθητήρων είναι επίσης μεγάλος. Ως εκ τούτου, πολλοί αναλογικοί αισθητήρες συνδέονται συχνότερα σε έναν ελεγκτή ταυτόχρονα. Φυσικά, όχι πολλές χιλιάδες ταυτόχρονα, είναι καλό αν μια ντουζίνα είναι διαφορετική. Μια τέτοια σύνδεση φαίνεται στο σχήμα 7.

Εικόνα 7. Σύνδεση πολλαπλών αναλογικών αισθητήρων στον ελεγκτή

Αυτό το σχήμα δείχνει πώς λαμβάνεται μια τάση κατάλληλη για μετατροπή σε ψηφιακό κωδικό από ένα σήμα ρεύματος. Εάν υπάρχουν πολλά τέτοια σήματα, τότε δεν υποβάλλονται σε επεξεργασία όλα ταυτόχρονα, αλλά διαχωρίζονται χρονικά και πολυπλέκονται, διαφορετικά θα πρέπει να εγκατασταθεί ένα ξεχωριστό ADC σε κάθε κανάλι.

Για το σκοπό αυτό, ο ελεγκτής διαθέτει ένα κύκλωμα μεταγωγής κυκλώματος. Το λειτουργικό διάγραμμα του διακόπτη φαίνεται στο σχήμα 8.

Εικόνα 8. Διακόπτης καναλιού αναλογικού αισθητήρα (με δυνατότητα κλικ στην εικόνα)

Τα σήματα βρόχου ρεύματος, που μετατρέπονται σε τάση κατά μήκος της αντίστασης μέτρησης (UR1...URn), τροφοδοτούνται στην είσοδο του αναλογικού διακόπτη. Τα σήματα ελέγχου περνούν εναλλάξ στην έξοδο ένα από τα σήματα UR1...URn, τα οποία ενισχύονται από τον ενισχυτή, και εναλλάξ φτάνουν στην είσοδο του ADC. Η τάση που μετατρέπεται σε ψηφιακό κωδικό παρέχεται στον ελεγκτή.

Το σχήμα, φυσικά, είναι πολύ απλοποιημένο, αλλά είναι πολύ πιθανό να εξεταστεί η αρχή της πολυπλεξίας σε αυτό. Έτσι κατασκευάστηκε περίπου η μονάδα για την εισαγωγή αναλογικών σημάτων ελεγκτών MSTS (σύστημα μικροεπεξεργαστή τεχνικών μέσων) που παράγεται από τον υπολογιστή Smolensk "Prolog". Η εμφάνιση του ελεγκτή MSTS φαίνεται στο Σχήμα 9.

Εικόνα 9. Ελεγκτής MSTS

Η παραγωγή τέτοιων ελεγκτών έχει σταματήσει εδώ και καιρό, αν και σε ορισμένα μέρη, μακριά από τα καλύτερα, αυτοί οι ελεγκτές εξακολουθούν να εξυπηρετούν. Αυτά τα μουσειακά εκθέματα αντικαθίστανται από ελεγκτές νέων μοντέλων, κυρίως εισαγόμενων (κινεζικών).

Εάν ο ελεγκτής είναι τοποθετημένος σε μεταλλικό ερμάριο, συνιστάται η σύνδεση των πλεξούδων θωράκισης στο σημείο γείωσης του ντουλαπιού. Το μήκος των γραμμών σύνδεσης μπορεί να φτάσει περισσότερα από δύο χιλιόμετρα, το οποίο υπολογίζεται με τους κατάλληλους τύπους. Δεν θα μετρήσουμε τίποτα εδώ, αλλά πιστέψτε με, είναι αλήθεια.

Νέοι αισθητήρες, νέοι ελεγκτές

Με την άφιξη νέων ελεγκτών, νέους αναλογικούς αισθητήρες που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο HART(Highway Addressable Remote Transducer), που μεταφράζεται ως "Μορφοτροπέας μέτρησης που απευθύνεται εξ αποστάσεως μέσω αυτοκινητόδρομου".

Το σήμα εξόδου του αισθητήρα (συσκευή πεδίου) είναι ένα αναλογικό σήμα ρεύματος στην περιοχή 4...20 mA, πάνω στο οποίο υπερτίθεται ένα ψηφιακό σήμα επικοινωνίας με διαμόρφωση συχνότητας (FSK - Frequency Shift Keying).

Εικόνα 10. Έξοδος αναλογικού αισθητήρα μέσω πρωτοκόλλου HART

Το σχήμα δείχνει ένα αναλογικό σήμα και ένα ημιτονοειδές κύμα στριφογυρίζει γύρω του σαν φίδι. Αυτό είναι ένα διαμορφωμένο σήμα συχνότητας. Αλλά αυτό δεν είναι καθόλου ψηφιακό σήμα· δεν έχει ακόμη αναγνωριστεί. Είναι αξιοσημείωτο στο σχήμα ότι η συχνότητα του ημιτονοειδούς όταν εκπέμπει ένα λογικό μηδέν είναι υψηλότερη (2,2 KHz) από ότι όταν εκπέμπει μια μονάδα (1,2 KHz). Η μετάδοση αυτών των σημάτων πραγματοποιείται από ρεύμα με πλάτος ±0,5 mA ημιτονοειδούς σχήματος.

Είναι γνωστό ότι η μέση τιμή του ημιτονοειδούς σήματος είναι μηδέν, επομένως, η μετάδοση ψηφιακών πληροφοριών δεν επηρεάζει το ρεύμα εξόδου του αισθητήρα 4...20 mA. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται κατά τη διαμόρφωση αισθητήρων.

Η επικοινωνία HART επιτυγχάνεται με δύο τρόπους. Στην πρώτη περίπτωση, η τυπική, μόνο δύο συσκευές μπορούν να ανταλλάξουν πληροφορίες μέσω μιας γραμμής δύο καλωδίων, ενώ το αναλογικό σήμα εξόδου 4...20 mA εξαρτάται από τη μετρούμενη τιμή. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται κατά τη διαμόρφωση συσκευών πεδίου (αισθητήρες).

Στη δεύτερη περίπτωση, μπορούν να συνδεθούν έως και 15 αισθητήρες σε μια γραμμή δύο καλωδίων, ο αριθμός των οποίων καθορίζεται από τις παραμέτρους της γραμμής επικοινωνίας και την ισχύ του τροφοδοτικού. Αυτή είναι η λειτουργία πολλαπλών σημείων. Σε αυτή τη λειτουργία, κάθε αισθητήρας έχει τη δική του διεύθυνση στην περιοχή 1...15, μέσω της οποίας η συσκευή ελέγχου έχει πρόσβαση σε αυτόν.

Ο αισθητήρας με διεύθυνση 0 έχει αποσυνδεθεί από τη γραμμή επικοινωνίας. Η ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ του αισθητήρα και της συσκευής ελέγχου σε λειτουργία πολλαπλών σημείων πραγματοποιείται μόνο από ένα σήμα συχνότητας. Το τρέχον σήμα του αισθητήρα είναι σταθερό στο απαιτούμενο επίπεδο και δεν αλλάζει.

Στην περίπτωση επικοινωνίας πολλαπλών σημείων, δεδομένα δεν σημαίνουν μόνο τα πραγματικά αποτελέσματα μέτρησης της παρακολουθούμενης παραμέτρου, αλλά και ένα σύνολο από όλα τα είδη πληροφοριών υπηρεσίας.

Πρώτα απ 'όλα, αυτές είναι διευθύνσεις αισθητήρα, εντολές ελέγχου και παράμετροι διαμόρφωσης. Και όλες αυτές οι πληροφορίες μεταδίδονται μέσω γραμμών επικοινωνίας δύο καλωδίων. Είναι δυνατόν να απαλλαγούμε και από αυτά; Είναι αλήθεια ότι αυτό πρέπει να γίνει προσεκτικά, μόνο σε περιπτώσεις όπου η ασύρματη σύνδεση δεν μπορεί να επηρεάσει την ασφάλεια της ελεγχόμενης διαδικασίας.

Αποδεικνύεται ότι μπορείτε να απαλλαγείτε από τα καλώδια. Ήδη το 2007 δημοσιεύτηκε το Πρότυπο WirelessHART· το μέσο μετάδοσης είναι η μη αδειοδοτημένη συχνότητα 2,4 GHz, στην οποία λειτουργούν πολλές ασύρματες συσκευές υπολογιστών, συμπεριλαμβανομένων των ασύρματων τοπικών δικτύων. Επομένως, οι συσκευές WirelessHART μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν χωρίς περιορισμούς. Το σχήμα 11 δείχνει το ασύρματο δίκτυο WirelessHART.

Εικόνα 11. Δίκτυο WirelessHART

Αυτές οι τεχνολογίες έχουν αντικαταστήσει τον παλιό βρόχο αναλογικού ρεύματος. Αλλά επίσης δεν εγκαταλείπει τη θέση του· χρησιμοποιείται ευρέως όπου είναι δυνατόν.

Σύνδεση του αισθητήρα ρεύματος στον μικροελεγκτή

Έχοντας εξοικειωθεί με τα βασικά της θεωρίας, μπορούμε να προχωρήσουμε στο θέμα της ανάγνωσης, του μετασχηματισμού και της οπτικοποίησης δεδομένων. Με άλλα λόγια, θα σχεδιάσουμε έναν απλό μετρητή συνεχούς ρεύματος.

Η αναλογική έξοδος του αισθητήρα συνδέεται σε ένα από τα κανάλια ADC του μικροελεγκτή. Όλοι οι απαραίτητοι μετασχηματισμοί και οι υπολογισμοί υλοποιούνται στο πρόγραμμα μικροελεγκτή. Μια ένδειξη LCD 2 χαρακτήρων χρησιμοποιείται για την εμφάνιση δεδομένων.

Πειραματικό σχέδιο

Για να πειραματιστείτε με έναν αισθητήρα ρεύματος, είναι απαραίτητο να συναρμολογήσετε τη δομή σύμφωνα με το διάγραμμα που φαίνεται στο Σχήμα 8. Ο συγγραφέας χρησιμοποίησε μια πλακέτα ψωμιού και μια μονάδα που βασίζεται σε μικροελεγκτή για αυτό (Εικόνα 9).

Η μονάδα αισθητήρα ρεύματος ACS712-05B μπορεί να αγοραστεί έτοιμη (πωλείται πολύ φθηνά στο eBay) ή μπορείτε να την φτιάξετε μόνοι σας. Η χωρητικότητα του πυκνωτή φίλτρου επιλέγεται να είναι 1 nF και ένας πυκνωτής μπλοκαρίσματος 0,1 μF έχει εγκατασταθεί για την παροχή ρεύματος. Για να υποδείξει την ενεργοποίηση, συγκολλάται ένα LED με αντίσταση σβέσης. Το τροφοδοτικό και το σήμα εξόδου του αισθητήρα συνδέονται με το βύσμα στη μία πλευρά της πλακέτας της μονάδας, ένας σύνδεσμος 2 ακίδων για τη μέτρηση του ρεύματος ροής βρίσκεται στην αντίθετη πλευρά.

Για πειράματα μέτρησης ρεύματος, συνδέουμε μια ρυθμιζόμενη πηγή σταθερής τάσης στους ακροδέκτες μέτρησης ρεύματος του αισθητήρα μέσω μιας αντίστασης σειράς 2,7 Ohm / 2 W. Η έξοδος του αισθητήρα συνδέεται στη θύρα RA0/AN0 (pin 17) του μικροελεγκτή. Μια ένδειξη LCD δύο γραμμών χαρακτήρων συνδέεται στη θύρα Β του μικροελεγκτή και λειτουργεί σε λειτουργία 4 bit.

Ο μικροελεγκτής τροφοδοτείται από τάση +5 V, η ίδια τάση χρησιμοποιείται ως αναφορά για το ADC. Οι απαραίτητοι υπολογισμοί και μετασχηματισμοί υλοποιούνται στο πρόγραμμα μικροελεγκτή.

Οι μαθηματικές εκφράσεις που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία μετατροπής δίνονται παρακάτω.

Ευαισθησία αισθητήρα ρεύματος Sens = 0,185 V/A. Με τροφοδοσία Vcc = 5 V και τάση αναφοράς Vref = 5 V, οι υπολογιζόμενες σχέσεις θα είναι οι εξής:

Κωδικός εξόδου ADC

Ως εκ τούτου

Ως αποτέλεσμα, ο τύπος για τον υπολογισμό του ρεύματος έχει ως εξής:

Σημαντική σημείωση. Οι παραπάνω σχέσεις βασίζονται στην υπόθεση ότι η τάση τροφοδοσίας και η τάση αναφοράς για το ADC είναι ίσα με 5 V. Ωστόσο, η τελευταία έκφραση που σχετίζεται με το ρεύμα I και τον αριθμό κωδικού εξόδου ADC παραμένει έγκυρη ακόμη και αν η τάση τροφοδοσίας κυμαίνεται. Αυτό συζητήθηκε στο θεωρητικό μέρος της περιγραφής.

Από την τελευταία έκφραση φαίνεται ότι η τρέχουσα ανάλυση του αισθητήρα είναι 26,4 mA, που αντιστοιχεί σε 513 δείγματα ADC, που είναι ένα δείγμα περισσότερο από το αναμενόμενο αποτέλεσμα. Έτσι, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι αυτή η υλοποίηση δεν επιτρέπει τη μέτρηση μικρών ρευμάτων. Για να αυξήσετε την ανάλυση και την ευαισθησία κατά τη μέτρηση μικρών ρευμάτων, θα χρειαστεί να χρησιμοποιήσετε έναν λειτουργικό ενισχυτή. Ένα παράδειγμα τέτοιου κυκλώματος φαίνεται στο Σχήμα 10.

Πρόγραμμα μικροελεγκτή

Το πρόγραμμα μικροελεγκτή PIC16F1847 είναι γραμμένο σε γλώσσα C και μεταγλωττισμένο στο περιβάλλον mikroC Pro (mikroElektronika). Τα αποτελέσματα της μέτρησης εμφανίζονται σε μια ένδειξη LCD δύο γραμμών με ακρίβεια δύο δεκαδικών ψηφίων.

Εξοδος

Με μηδενικό ρεύμα εισόδου, η τάση εξόδου ACS712 θα πρέπει ιδανικά να είναι αυστηρά Vcc/2, δηλ. Ο αριθμός 512 πρέπει να διαβαστεί από το ADC. Η μετατόπιση της τάσης εξόδου του αισθητήρα κατά 4,9 mV προκαλεί μετατόπιση του αποτελέσματος μετατροπής κατά 1 λιγότερο σημαντικό bit του ADC (Εικόνα 11). (Για Vref = 5,0 V, η ανάλυση του ADC 10-bit θα είναι 5/1024 = 4,9 mV), που αντιστοιχεί σε 26 mA ρεύματος εισόδου. Σημειώστε ότι για να μειώσετε την επίδραση των διακυμάνσεων, συνιστάται να κάνετε πολλές μετρήσεις και στη συνέχεια να κάνετε μέσο όρο των αποτελεσμάτων τους.

Εάν η τάση εξόδου της ρυθμιζόμενης τροφοδοσίας είναι ίση με 1 V, μέσω
η αντίσταση πρέπει να φέρει ρεύμα περίπου 370 mA. Η μετρούμενη τιμή ρεύματος στο πείραμα είναι 390 mA, που υπερβαίνει το σωστό αποτέλεσμα κατά μία μονάδα του λιγότερο σημαντικού ψηφίου του ADC (Εικόνα 12).

Σε τάση 2 V, ο δείκτης θα δείξει 760 mA.

Αυτό ολοκληρώνει τη συζήτησή μας για τον αισθητήρα ρεύματος ACS712. Ωστόσο, δεν θίξαμε άλλο ένα θέμα. Πώς να μετρήσετε το ρεύμα AC χρησιμοποιώντας αυτόν τον αισθητήρα; Λάβετε υπόψη ότι ο αισθητήρας παρέχει μια στιγμιαία απόκριση που αντιστοιχεί στο ρεύμα που διαρρέει τα καλώδια δοκιμής. Εάν το ρεύμα ρέει προς τη θετική κατεύθυνση (από τους ακροδέκτες 1 και 2 στους ακροδέκτες 3 και 4), η ευαισθησία του αισθητήρα είναι θετική και η τάση εξόδου είναι μεγαλύτερη από Vcc/2. Εάν το ρεύμα αλλάξει κατεύθυνση, η ευαισθησία θα είναι αρνητική και η τάση εξόδου του αισθητήρα θα πέσει κάτω από το επίπεδο Vcc/2. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη μέτρηση ενός σήματος AC, το ADC του μικροελεγκτή πρέπει να κάνει δειγματοληψία αρκετά γρήγορα ώστε να μπορεί να υπολογίσει την τιμή RMS του ρεύματος.

Λήψεις

Πηγαίος κώδικας του προγράμματος μικροελεγκτή και αρχείου για υλικολογισμικό -

Από τη δεκαετία του 1950, οι βρόχοι ρεύματος χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση δεδομένων από πομπούς σε εφαρμογές παρακολούθησης και ελέγχου. Με χαμηλό κόστος υλοποίησης, υψηλή προστασία από θόρυβο και δυνατότητα μετάδοσης σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις, ο βρόχος ρεύματος έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα βολικός για λειτουργία σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Αυτό το υλικό είναι αφιερωμένο στην περιγραφή των βασικών αρχών λειτουργίας ενός βρόχου ρεύματος, των βασικών στοιχείων του σχεδιασμού και της διαμόρφωσης.

Χρήση ρεύματος για τη μεταφορά δεδομένων από τον μετατροπέα

Οι βιομηχανικοί αισθητήρες χρησιμοποιούν συχνά ένα σήμα ρεύματος για τη μετάδοση δεδομένων, σε αντίθεση με τους περισσότερους άλλους μετατροπείς, όπως θερμοστοιχεία ή μετρητές τάσης, που χρησιμοποιούν σήμα τάσης. Αν και οι μετατροπείς που χρησιμοποιούν την τάση ως παράμετρο για τη μετάδοση πληροφοριών είναι πράγματι αποτελεσματικοί σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, υπάρχει ένας αριθμός εφαρμογών όπου η χρήση χαρακτηριστικών ρεύματος είναι προτιμότερη. Ένα σημαντικό μειονέκτημα κατά τη χρήση τάσης για τη μετάδοση σημάτων σε βιομηχανικά περιβάλλοντα είναι η εξασθένηση του σήματος όταν μεταδίδεται σε μεγάλες αποστάσεις λόγω της παρουσίας αντίστασης ενσύρματων γραμμών επικοινωνίας. Μπορείτε, φυσικά, να χρησιμοποιήσετε συσκευές υψηλής σύνθετης αντίστασης εισόδου για να αντιμετωπίσετε την απώλεια σήματος. Ωστόσο, τέτοιες συσκευές θα είναι πολύ ευαίσθητες στον θόρυβο που δημιουργείται από κοντινούς κινητήρες, ιμάντες μετάδοσης κίνησης ή πομπούς εκπομπής.

Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο του Kirchhoff, το άθροισμα των ρευμάτων που ρέουν σε έναν κόμβο είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων που ρέουν έξω από τον κόμβο.
Θεωρητικά, το ρεύμα που ρέει στην αρχή του κυκλώματος θα πρέπει να φτάσει στο τέλος του πλήρως,
όπως φαίνεται στο Σχ.1. 1.

Εικ.1. Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο του Kirchhoff, το ρεύμα στην αρχή του κυκλώματος είναι ίσο με το ρεύμα στο τέλος του.

Αυτή είναι η βασική αρχή με την οποία λειτουργεί ο βρόχος μέτρησης.Η μέτρηση του ρεύματος οπουδήποτε στον βρόχο ρεύματος (βρόχος μέτρησης) δίνει το ίδιο αποτέλεσμα. Χρησιμοποιώντας σήματα ρεύματος και δέκτες λήψης δεδομένων με χαμηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, οι βιομηχανικές εφαρμογές μπορούν να ωφεληθούν πολύ από τη βελτιωμένη ασυλία θορύβου και το αυξημένο μήκος ζεύξης.

Στοιχεία τρέχοντος βρόχου
Τα κύρια στοιχεία ενός βρόχου ρεύματος περιλαμβάνουν μια πηγή DC, έναν αισθητήρα, μια συσκευή λήψης δεδομένων και καλώδια που τα συνδέουν στη σειρά, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.

Εικ.2. Λειτουργικό διάγραμμα του τρέχοντος βρόχου.

Μια πηγή DC παρέχει ισχύ στο σύστημα. Ο μετατροπέας ρυθμίζει το ρεύμα στα καλώδια από 4 έως 20 mA, όπου τα 4 mA αντιπροσωπεύουν το μηδέν υπό τάση και τα 20 mA αντιπροσωπεύουν το μέγιστο σήμα.
0 mA (χωρίς ρεύμα) σημαίνει ανοιχτό κύκλωμα. Η συσκευή λήψης δεδομένων μετρά την ποσότητα του ρυθμιζόμενου ρεύματος. Μια αποτελεσματική και ακριβής μέθοδος για τη μέτρηση του ρεύματος είναι η εγκατάσταση μιας αντίστασης διακλάδωσης ακριβείας στην είσοδο του ενισχυτή οργάνων της συσκευής λήψης δεδομένων (στο Σχήμα 2) για τη μετατροπή του ρεύματος σε τάση μέτρησης, λαμβάνοντας τελικά ένα αποτέλεσμα που αντικατοπτρίζει σαφώς την σήμα στην έξοδο του μετατροπέα.

Για να κατανοήσετε καλύτερα την αρχή λειτουργίας ενός βρόχου ρεύματος, εξετάστε, για παράδειγμα, ένα σχέδιο συστήματος με μετατροπέα που έχει τα ακόλουθα τεχνικά χαρακτηριστικά:

Ο μορφοτροπέας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της πίεσης
Ο μορφοτροπέας βρίσκεται 2000 πόδια από τη συσκευή μέτρησης
Το ρεύμα που μετράται από τη συσκευή λήψης δεδομένων παρέχει στον χειριστή πληροφορίες σχετικά με την ποσότητα πίεσης που εφαρμόζεται στον μορφοτροπέα

Ας αρχίσουμε να εξετάζουμε το παράδειγμα επιλέγοντας έναν κατάλληλο μετατροπέα.

Τρέχουσα σχεδίαση συστήματος

Επιλογή μετατροπέα

Το πρώτο βήμα στο σχεδιασμό ενός τρέχοντος συστήματος είναι η επιλογή ενός μετατροπέα. Ανεξάρτητα από το είδος της μεταβλητής που μετράται (ροή, πίεση, θερμοκρασία κ.λπ.), σημαντικός παράγοντας στην επιλογή ενός μετατροπέα είναι η τάση λειτουργίας του. Μόνο η σύνδεση μιας πηγής ρεύματος στον μετατροπέα σάς επιτρέπει να ρυθμίσετε την ποσότητα ρεύματος στη γραμμή επικοινωνίας. Η τάση τροφοδοσίας πρέπει να είναι εντός αποδεκτών ορίων: μεγαλύτερη από την ελάχιστη απαιτούμενη και μικρότερη από τη μέγιστη τιμή που θα μπορούσε να βλάψει τον μετατροπέα.

Για το τρέχον σύστημα στο παράδειγμα, ο επιλεγμένος μορφοτροπέας μετρά την πίεση και έχει τάση λειτουργίας 12 έως 30 V. Μόλις επιλεγεί ο μορφοτροπέας, το σήμα ρεύματος πρέπει να μετρηθεί σωστά για να παρέχει μια ακριβή αναπαράσταση της πίεσης που εφαρμόζεται στον μορφοτροπέα .

Επιλογή συσκευής απόκτησης δεδομένων για τρέχουσα μέτρηση

Μια σημαντική πτυχή που πρέπει να προσέξετε κατά την κατασκευή ενός συστήματος ρεύματος είναι να αποτρέψετε την εμφάνιση βρόχου ρεύματος στο κύκλωμα γείωσης. Μια συνηθισμένη τεχνική σε τέτοιες περιπτώσεις είναι η απομόνωση. Χρησιμοποιώντας μόνωση, μπορείτε να αποφύγετε την επίδραση του βρόχου γείωσης, η εμφάνιση του οποίου εξηγείται στο Σχ. 3.

Εικ.3. Βρόχος γείωσης

Οι βρόχοι γείωσης σχηματίζονται όταν δύο συνδεδεμένοι ακροδέκτες σε ένα κύκλωμα βρίσκονται σε διαφορετικά δυναμικά. Αυτή η διαφορά εισάγει πρόσθετο ρεύμα στη γραμμή επικοινωνίας, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα μέτρησης.
Η απομόνωση της συσκευής απόκτησης δεδομένων αναφέρεται στον ηλεκτρικό διαχωρισμό της γείωσης της πηγής σήματος από τη γείωση του ενισχυτή εισόδου της συσκευής μέτρησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.

Δεδομένου ότι το ρεύμα δεν μπορεί να ρέει μέσω του φράγματος μόνωσης, τα σημεία γείωσης του ενισχυτή και της πηγής σήματος βρίσκονται στο ίδιο δυναμικό. Αυτό εξαλείφει την πιθανότητα ακούσιας δημιουργίας βρόχου γείωσης.

Εικ.4. Τάση κοινής λειτουργίας και τάση σήματος σε απομονωμένο κύκλωμα

Η απομόνωση αποτρέπει επίσης τη ζημιά στη συσκευή λήψης δεδομένων όταν υπάρχουν υψηλές τάσεις κοινής λειτουργίας. Η τάση κοινής λειτουργίας είναι μια τάση της ίδιας πολικότητας που υπάρχει και στις δύο εισόδους ενός ενισχυτή οργάνων. Για παράδειγμα, στο Σχ. 4. Τόσο η θετική (+) όσο και η αρνητική (-) είσοδος του ενισχυτή έχουν τάση κοινής λειτουργίας +14 V. Πολλές συσκευές απόκτησης δεδομένων έχουν μέγιστο εύρος εισόδου ±10 V. Εάν η συσκευή λήψης δεδομένων δεν διαθέτει μόνωση και η τάση κοινής λειτουργίας είναι εκτός του μέγιστου εύρους εισόδου, μπορεί να προκληθεί βλάβη στη συσκευή. Αν και η κανονική τάση (σήμα) στην είσοδο του ενισχυτή στο σχήμα 4 είναι μόνο +2 V, η προσθήκη +14 V μπορεί να οδηγήσει σε τάση +16 V
(Τάση σήματος είναι η τάση μεταξύ «+» και «-» του ενισχυτή, η τάση λειτουργίας είναι το άθροισμα της τάσης κανονικής και κοινής λειτουργίας), η οποία αντιπροσωπεύει ένα επικίνδυνο επίπεδο τάσης για συσκευές συλλογής με χαμηλότερη τάση λειτουργίας.

Μεμονωμένα, το κοινό σημείο του ενισχυτή διαχωρίζεται ηλεκτρικά από το μηδέν γείωσης. Στο κύκλωμα στο σχήμα 4, το δυναμικό στο κοινό σημείο του ενισχυτή «ανεβαίνει» στο επίπεδο των +14 V. Αυτή η τεχνική προκαλεί πτώση της τάσης εισόδου από 16 σε 2 V. Τώρα που συλλέγονται δεδομένα, η συσκευή δεν κινδυνεύει πλέον από ζημιά από υπέρταση. (Σημειώστε ότι οι απομονωτές έχουν μια μέγιστη τάση κοινής λειτουργίας που μπορούν να απορρίψουν.)

Μόλις απομονωθεί και προστατευθεί η συσκευή απόκτησης δεδομένων, το τελευταίο βήμα για την κατασκευή του βρόχου ρεύματος είναι να επιλέξετε την κατάλληλη παροχή ρεύματος.

Επιλογή πηγής ενέργειας

Είναι εύκολο να προσδιορίσετε ποιο τροφοδοτικό ταιριάζει καλύτερα στις ανάγκες σας. Όταν λειτουργεί σε βρόχο ρεύματος, το τροφοδοτικό πρέπει να παράγει τάση ίση ή μεγαλύτερη από το άθροισμα των πτώσεων τάσης σε όλα τα στοιχεία του συστήματος.

Η συσκευή απόκτησης δεδομένων στο παράδειγμά μας χρησιμοποιεί μια διακλάδωση ακριβείας για τη μέτρηση του ρεύματος.
Είναι απαραίτητο να υπολογίσετε την πτώση τάσης σε αυτήν την αντίσταση. Μια τυπική αντίσταση διακλάδωσης είναι 249 Ω. Βασικοί υπολογισμοί για εύρος ρεύματος βρόχου ρεύματος 4 .. 20 mA
δείχνουν τα εξής:

I*R=U
0,004A*249Ω= 0,996 V
0,02A*249Ω= 4,98 V

Από μια διακλάδωση 249 Ω, μπορούμε να αφαιρέσουμε μια τάση στην περιοχή από 1 έως 5 V συνδέοντας την τιμή τάσης στην είσοδο της συσκευής λήψης δεδομένων με την τιμή του σήματος εξόδου του μορφοτροπέα πίεσης.
Όπως αναφέρθηκε, ο πομπός πίεσης απαιτεί ελάχιστη τάση λειτουργίας 12 V με μέγιστο 30 V. Προσθέτοντας την πτώση τάσης στην αντίσταση διακλάδωσης ακριβείας στην τάση λειτουργίας του πομπού, έχουμε τα εξής:

12 V+ 5 V=17 V

Εκ πρώτης όψεως, αρκεί μια τάση 17 V. Ωστόσο, είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη το πρόσθετο φορτίο στο τροφοδοτικό που δημιουργείται από καλώδια που έχουν ηλεκτρική αντίσταση.
Σε περιπτώσεις όπου ο αισθητήρας βρίσκεται μακριά από τα όργανα μέτρησης, πρέπει να λάβετε υπόψη τον παράγοντα αντίστασης των συρμάτων κατά τον υπολογισμό του βρόχου ρεύματος. Τα χάλκινα καλώδια έχουν αντίσταση DC που είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος τους. Με το παράδειγμα αισθητήρα πίεσης, πρέπει να λάβετε υπόψη 2000 πόδια μήκους γραμμής επικοινωνίας κατά τον προσδιορισμό της τάσης λειτουργίας του τροφοδοτικού. Η γραμμική αντίσταση του μονοπύρηνου χάλκινου καλωδίου είναι 2,62 Ω/100 πόδια. Λαμβάνοντας υπόψη αυτή την αντίσταση, προκύπτει το εξής:

Η αντίσταση ενός πυρήνα μήκους 2000 ποδιών θα είναι 2000 * 2,62 / 100 = 52,4 m.
Η πτώση τάσης σε έναν πυρήνα θα είναι 0,02 * 52,4 = 1,048 V.
Για να ολοκληρωθεί το κύκλωμα, χρειάζονται δύο καλώδια, στη συνέχεια το μήκος της γραμμής επικοινωνίας διπλασιάζεται και
Η συνολική πτώση τάσης θα είναι 2,096 V. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα περίπου 2,1 V λόγω της απόστασης από τον μετατροπέα στη δευτερεύουσα συσκευή είναι 2000 πόδια. Συνοψίζοντας τις πτώσεις τάσης σε όλα τα στοιχεία του κυκλώματος, παίρνουμε:
2,096 V + 12 V + 5 V = 19,096 V

Εάν χρησιμοποιήσατε 17 V για να τροφοδοτήσετε το εν λόγω κύκλωμα, τότε η τάση που παρέχεται στον μορφοτροπέα πίεσης θα είναι κάτω από την ελάχιστη τάση λειτουργίας λόγω της πτώσης της αντίστασης των καλωδίων και της αντίστασης διακλάδωσης. Η επιλογή ενός τυπικού τροφοδοτικού 24 V θα ικανοποιήσει τις απαιτήσεις ισχύος του μετατροπέα. Επιπλέον, υπάρχει απόθεμα τάσης για να τοποθετήσετε τον αισθητήρα πίεσης σε μεγαλύτερη απόσταση.

Με επιλεγμένο το σωστό μορφοτροπέα, συσκευή λήψης δεδομένων, μήκος καλωδίου και τροφοδοτικό, ο σχεδιασμός ενός απλού βρόχου ρεύματος έχει ολοκληρωθεί. Για πιο σύνθετες εφαρμογές, μπορείτε να συμπεριλάβετε επιπλέον κανάλια μέτρησης στο σύστημα.