|
|
3+лекция_Измерительные+преобразователи,+датчики. Измерительные преобразователи (ИП), датчики
В данном разделе будут рассмотрены линии связи для измерительных устройств с аналоговыми выходными сигналами. Линия связи измерительного устройства выполняет функции:
передача информационного сигнала от датчика к аппаратуре осуществляющей обработку и использование информации (УСО, контроллер, регулятор…);
передача электрической энергии для питания датчика.
При подключении измерительных устройств с аналоговыми выходными сигналами применяют: четырехпроводные, трехпроводные и двухпроводные линии связи.
Четырехпроводная линия связи.
Использует два отдельных провода для передачи питания и два отдельных провода для передачи информационного сигнала. На рис. 2.35. в верхней части условно изображен измерительный преобразователь, кабель связи, вторичный преобразователь в виде измерителя-регулятора, в нижней части структурная схема четырехпроводного подключения измерительного устройства.
 Обозначения:
ИУ – измерительное устройство;
ВП – вторичный преобразователь;
х – измеряемый физический параметр;
ИП – измерительный преобразователь;
ИЭП – источник электропитания;
УОИ – устройство обработки информации;
UП – напряжение питания;
Между ИУ и ВП имеются линии связи (ЛС).
Обозначение трансформатора указывает на возможность применения гальванического разделения по питанию.
Достоинства:
позволяет передавать все известные стандартные электрические сигналы;
в
Рис. 2.35.
озможность применения внутри ИУ гальванического разделения (исключение влияния питающего сигнала, возможность подключения большого количества различных потребителей информации, обеспечение безопасности сигнальных цепей и обслуживающего персонала от воздействия питающего напряжения).
Недостатки: высокая стоимость линии связи.
Вывод: необходимо уменьшить количество проводов путем усложнения ВП и ИУ.
Трехпроводная линия связи.
И спользует один отдельный провод для передачи питания, один отдельный провод для передачи информационного сигнала и один провод общий. На рис. 2.36 в верхней части условно изображен измерительный преобразователь, кабель связи, вторичный преобразователь в виде измерителя-регулятора, в нижней части структурная схема трехпроводного подключения измерительного устройства.
И
Рис. 2.36.
Рис. 2.37.
 зображенная на рис.2.36 линия связи используется для передачи сигналов напряжений. В данном случае общая шина является проводником передачи электрической мощности к измерительному преобразователю и также является проводником для передачи информационного сигнала. Из-за этого общий провод может являться источником погрешности, так как ток питания создает падение напряжения на сопротивлении этого провода.
На рис 2.37 и 2.38 изображены трехпроводные схемы для передачи сигналов тока, первая с общим плюсом, вторая с общим минусом.
Измерительное устройство преобразует входную физическую величину х в сигнал тока на выходе. Стабилизация тока Jc на выходе осуществляется с помощью датчика тока Rос, формирующего сигнал обратной связи (ОС). Управляя транзистором (см. рисунок выше), его током базы, ИП регулирует ток Jc. На стороне вторичного преобразователя ток сигнала Jc преобразуется в напряжение сигнала для УОИ.
В
Рис. 2.38.
первом случае ток сигнала протекает по проводу +UП и возвращается по проводу Jc через нормирующий резистор RН. На стороне вторичного преобразователя нормирующее сопротивление RН преобразует сигнал тока в сигнал напряжения.
Достоинство трехпроводной линии связи в том, что она получается дешевле, позволяет передавать любые аналоговые стандартные электрические сигналы, меньшее количество проводов, а недостаток в том, что невозможно применить гальваническое разделение сигнальных и питающих цепей, так как они используют общие провода.
Двухпроводная линия связи.
Использует только два провода для передачи питания датчику и одновременно для передачи информационного сигнала в устройства обработки информации. На рис. 2.39 изображена структурная схема двухпроводного подключения измерительного устройства.
Р абота схемы:
И
Рис. 2.39.
змерительное устройство при нулевом входном физическом воздействии формирует сигнал 4мА, соответствующий нулевому значению выходного информационного сигнала. При изменении измеряемой физической величины от нуля (начало) до максимума диапазона измерения токовый сигнал на выходе изменяется от 4 мА до 20 мА. Схема измерения выходного тока измерительного преобразователя снимает сигнал с Rос вычисляет рассогласование и формирует управляющий сигнал на транзистор для стабилизации требуемого тока(преобразователь компенсационного типа). Нулевой сигнал 4 мА может складываться как сумма токов Х мА – ток через ИП и ток через сопротивление обратной связи RОС, равный также Y мА, которые в сумме дадут 4 мА. При изменении измеряемой физической величины изменится и ток на выходе. Например, при увеличении входного физического параметра до 50% от диапазона, выходной ток будет равен 12 мА, и будет стабилизироваться схемой компенсационного типа на данном уровне. Это значит, что возникает дополнительный ток через транзистор, равный 8 мА.
Rнорм необходим для преобразования тока в напряжение. В качестве него применяется резистор, имеющий стабильное сопротивление, мало зависящий от температуры, влажности, не подвержен старению и т. Д. Например, берется резистор по ГОСТу номиналом 200..250Ом.
Достоинства: данная схема использует минимальное количество проводов.
Недостатки:
из стандартных сигналов схема применима только для сигнала тока 4-20мА;
невозможность гальванического разделения цепе питания и цепей сигнала, т.к. и питание, и сигнал передаются по одной цепи
Несмотря на указанные недостатки, двухпроводное включение измерительных устройств широко распространено. Это связано также с популярностью стандарта 4-20 мА.
П реимущества и недостатки линии связи с токовыми сигналами и сигналами напряжения.
Линии связи измерительных устройств с сигналами тока и с сигналами напряжения отличаются друг от друга тем, что возмущающие факторы внешней среды оказывают на них разное воздействие.
ЛС напряжения. Представим линию связи с сигналом напряжения схемой замещения рис. 2.40.
Ес – источник сигнала;
R
Рис. 2.40.
вн – внутренне сопротивление источника сигнала, у идеального источника напряжения Rвн →0, у реального оно составляет 1 ÷ 10 Ом;
Rлс (сопротивление линии связи) – 0 ÷ 10 Ом;
Rу (сопротивление утечки) – 1МОм и более;
Rнагр(сопротивление нагрузки) – 10Ком и более;
Здесь UC – выходной сигнал измерительного устройства, а а Uвых – напряжение на выходе ЛС, или сигнал на входе устройства обработки информации. Rн – сопротивление приемника.
В схеме протекают токи: Iвых – ток протекающий через нагрузку (через УОИ), Iу – ток утечки, протекающий как правило через изоляцию кабелей.
Влияние сопротивлений линии связи и утечки
Выражение для Uвых:
ε – ЭДС источника;
 
Рис. 2.41.
- потенциальные источники погрешности, т.к. создают падения напряжения в цепи сигнала. Эти составляющие необходимо минимизировать. Рассмотрим их влияние.
Ry – сопротивление изоляции как правило существенно выше Rн, следовательно Jу
R вн – определяется производителем/разработчиком измерительного устройства, при номинальном значении Jвых и при Jу
Rлс – определяется сечением, материалом, протяженностью проводника, качеством электрических контактов. Rлс может быть источником погрешности при использовании сигналов напряжения. Учитывать и компенсировать Rлс удается не всегда, т.к. на сопротивление провода оказывает влияние окружающая температура.
J
Рис. 2.42.
вых – ток через нагрузку, определяется в основном значением Rн, если выбирать Rн выше, то Jвых соответственно будет ниже, и нежелательные падения напряжения в цепи сигнала тоже будут меньше.
Влияние ЭДС помехи.
Линия связи представляет собой электрически замкнутую цепь, электрический контур. Электромагнитные волны вызывают возникновение ЭДС помехи в контуре, а следовательно возникает и ток помехи. Этот ток протекая по элементам контура создает падения напряжений. Чем выше сопротивление элемента контура, тем выше падение напряжения, тем выше рассеиваемая мощность помехи на этом элементе. В линии связи по напряжению самое высокое сопротивление у Rн, т.е. самое высокое падение напряжения. Отсюда можно сделать вывод, что линии связи по напряжению чувствительна к электромагнитным помехам. А т.к. площадь контура зависит от протяженности линии связи, то, чем протяженнее линия связи, тем больше помех она «собирает».
ЛС тока.
R
Рис. 3.6.
вн – внутренне сопротивление источника сигнала, у идеального источника тока Rвн → ∞, у реального оно составляет 10000 ÷ 1000000 Ом;
Rлс (сопротивление линии связи) – 0 ÷ 10 Ом;
Rу (сопротивление утечки) – 1МОм и более;
Rнагр(сопротивление нагрузки) – 100 – 500 Ом, типовое значение 250 Ом;
Здесь Uс – выходной сигнал измерительного устройства, а Uвых – напряжение на выходе ЛС, или сигнал на входе устройства обработки информации.
Rн – сопротивление приемника.
В схеме протекают токи: Iвых – ток на выходе ЛС, протекающий через нагрузку (через УОИ), Iу – ток утечки, протекающий как правило через изоляцию кабелей.
Влияние сопротивлений линии связи и утечки
Выражение для Uвых:
  , Rн в данном случае нормирующий резистор, преобразующий ток в напряжение. Его точность и стабильность пропорционально отражаются на сигнале.
И
Рис. 2.43.
з представленных выражений видно, что Uвых не зависит от Rлс (0 ÷ 10 Ом). Погрешность может внести завышенный ток утечки, обусловленный низким сопротивлением изоляции. Снижение сопротивления изоляции может возникнуть из за воздействия факторов окружающей среды и нарушения условий эксплуатации (перепады температур, влажность, механические повреждения изоляции…).
Влияние ЭДС помехи на сигнал тока незначительно ввиду того, что сопротивление приемника много меньше сопротивления источника сигнала.
Рис. 2.44.
Особенности подключения потребителей к линиям связи. Линия связи по напряжению.
Схема подключения в этом случае выглядит следующим образом:
Рис. 2.45.
Потребители П1, П2,…,ПN подключены к источнику напряжения параллельно. Количество потребителей ограничено условием: общее суммарное сопротивление, соединенных параллельно потребителей, не должно быть меньше сопротивления, дающего предельную погрешность при передаче сигнала.
Позволяют подключать в параллель большое число приемников (П), питающихся от одного источника питания или приемников с единой сигнальной землей, что упрощает решение задачи, обеспечение надежности без применения дополнительных технических средств.
Преимущества:
Возможность подключения большого количества потребителей с высоким входным сопротивлением;
Возможность применения общей земли и одного источника питания;
Простота схемы, и не требуется никаких дополнительных условий.
Токовая линия связи.
ИП – измерительный преобразователь, который является источником сигнала;
ИЭП – источник электропитания;
П1, П2,…,ПN – приемники.
П
Рис. 2.46.
оскольку приемники включаются последовательно, то у каждого есть своя сигнальная земля. Следовательно, цепи приемников, кроме сигнальной, должны быть гальванически развязаны. У каждого приемника должен быть свой изолированный от остальных вторичный источник питания.
Если вышел из строя хотя бы один приемник, цепь (схема) теряет свою работоспособность. Однако, можно поставить ключ к каждому приемнику, тогда схема продолжит свою работу. Еще один вариант решения – включить стабилитрон.
Для того, чтобы при выходе из строя, извлечении, отсоединении одного из приемников линия связи не теряла свою работоспособность, параллельно приемникам включают стабилитроны, такие, чтобы напряжение стабилизации стабилитрона было больше или равно максимальному падению напряжения на приемнике.
Общее число приемников ограниченно условием: сумма падений напряжений на приемниках и на ИП должно быть меньше напряжения питания линии связи.
Кроме того, каждый приемник должен иметь источник питания, гальванически не связанный с цепями ИП и источниками питания других приемников.
Для того чтобы при выходе из строя одного из приемников (извлечении или отсоединении) линия связи не теряла работоспособность, параллельно каждому приемнику включен стабилитрон UCT≥ UП1.
Комбинированные линии связи.
В
Рис. 2.47.
данной схеме информационный сигнал передается на расстояние с помощью сигнала тока. Нормирующее сопротивление преобразует сигнал тока в сигнал напряжения. Дальнейшее распределение сигнала на приемники П1…ПN производится с помощью линии связи по напряжению. Потребители должны иметь большие сопротивления.
 - ток источника тока.
Сумма входных проводимостей приемника должна быть много меньше проводимости RН.
Ограничения:
Входное сопротивление, параллельно включенное к приемникам, должно быть много больше RН.
Комбинированная линия связи совмещает достоинства токовой линии связи и линии связи по напряжению.
|
|
|
Скачать 1.21 Mb.