Модули за обработка на сигнали от сензори

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2011

Модули за обработка на сигнали от сензори

Едно от важните условия за съществуването на прецизни и високоефективни индустриални системи е използването на съвременни сензори. Не по-малко важни са модулите за обработка на сигнали, представляващи платки за вграждане в системите или техни блокове с подходящо конструктивно оформление. Модулите се класифицират по два начина – в зависимост от вида на входните сигнали (или сензорите, за които са предназначени) и според изходните сигнали. Значително по-съществен е първият начин, възприет и в статията. Последователно са разгледани модули за термодвойки, за резистивни сензори на температура, за сензори в мостово свързване, за честота, за ъгломери, за акселерометри, с потенциометричен вход и други разновидности.

Характерни особености на модулите
Захранващото напрежение е от външен източник и има една от стойностите: постоянно 15V±10%, 24 V±10%, 9-30 V, 12-35 V, 19-30 V и променливо 230 V. Като параметър се дава консумираната мощност (Power Consumption) със стойности между няколко десети от W и няколко W.
Обикновено производителите предлагат набор от модули с еднакво конструктивно оформление, различаващи се само по вида на сензорите, свързвани на входа им и самите входни сигнали. Подчертан стремеж е модулите да се правят все по-тънки. Не са малко модулите, предназначени за работа в тежка околна среда.
Входовете, включително тези за захранващо напрежение (Power Input), в класическите конструкции са на лицевата плоча на модула, а изходите – на задната плоча, но има съвременни модели, в които те са съответно в долния и горния край на лицевата плоча.
Изходите са галванично отделени от захранването и като параметър се дава максималното изолационно напрежение (Isolation), което при моделите с постояннотоково захранване е постоянно (типични стойности 1-2 kV) и е променливо с типични стойности от 1,5 kV до 3,5 kV (специалистите съветват да се обърне внимание дали дадената стойност е средноквадратична или амплитудна) при тези с променливотоково захранване. Съществува галванично разделяне на изхода и захранването и между изхода и входа.
Твърде често на лицевата плоча има индикатори за работното състояние на модула, като почти задължителен е този за наличие на захранване, а освен него най-често има и индикатор, показващ че измерваната величина е извън обхвата. Последният може да е дублиран от изход за аларма при излизане на входната величина извън определени граници. Все повече стават модулите с дисплей за отчитане на входната и/или изходната величина.
Захранването на сензори, чиито сигнали се обработват, почти винаги се осигурява (Excitation) от източник, вграден в модула.
Съществуват модули с възможност за вграждане по желание на клиента на различни математически функции за обработка на входните сигнали, например за линеаризация, за отделяне на сигнали в определени граници, за реализиране на PID контролер и др.
Входовете на модулите обикновено са с вградена защита (най-често диодна) срещу импулсни смущения. Максималното напрежение, до което защитата работи нормално, се дава като параметър защита от пренапрежение (Overvoltage Protection) със стойности няколко десетки V между които и да е два входа и няколко стотици V между произволен вход и маса. Предвидена е и защита на изходите за предпазването им от късо съединение, което може да се получи по време на монтаж или повреда.
Работният температурен обхват е твърде различен в зависимост от модела, но трябва да се има предвид, че в немалко модули долната му граница е 0 °С.

Изходни характеристики
Изходната величина на модулите не е пряко свързана с вида на обработваните сигнали, а зависи само от предвидените приложения. Все още най-често се използват аналогови изходи, които са напрежителни и токови. Даден модул може да има един от тях или и двата (по-често), като в последния случай те не могат да се използват едновременно. Твърде често се предлагат две разновидности на даден модул – едната с напрежителен, а другата с токов изход. Напрежителните изходи са с постоянно напрежение, което може да е еднополярно (най-популярните обхвати са 0-5 V, 1-5 V и 0-10 V) или двуполярно (±5 V или ±10 V). Съществуват модули с обхвати 5-0 V, 5-1 V и 10-0 V, при които на минимален входен сигнал съответства най-голямото изходно напрежение. Напрежителните изходи са с малко изходно съпротивление (максималната му стойност обикновено е между 10 и 50 W, но има модули при които е дори под 1 W) и понякога като допълнителен техен параметър се дават минималното и максималното изходно напрежение извън обхвата, например при обхват 0-10 V те са -1 V и 11 V. Друг допълнителен параметър е максималният ток, който изходите могат да осигурят (обикновено десетина mA), с което се дава възможност да се определи минимално допустимото съпротивление на товара в изхода.
Токовите изходи са с постоянен ток с един или повече от обхватите 0-1 mA, 0-20 mA, 4-20 mA (най-често) и 20-4 mA и с голямо изходно съпротивление (стойността му обикновено не се дава като параметър). И тук може да се указват минималният и максималният ток извън обхвата, например при 0-20 mA те са -1,5 mA (токът влиза в изхода вместо да излиза) и 22 mA. При тези изходи ограничението е за максимално възможното напрежение (около 10 V) върху товара, което от своя страна определя най-голямото му допустимо съпротивление. За осигуряване на максимална точност при обработката на сигналите в значителна част от модулите е предвидена настройка на нулата чрез потенциометър (Offset Potentiometer) и чрез друг (Span Potentiometer) на максималната стойност на обхвата, като в някои модули се осигурява нейно относително изменение до 50%.
Не са малко модулите с няколко напрежителни и токови обхвата, всеки от които се избира от ползвателя. По-често това се прави чрез микроключета (DIP Switch), като върху самата плоча на модула са означени необходимите им положения за получаване на желан обхват. Сравнително по-рядко са модулите с избор на обхвата чрез тактилен ключ на лицевата плоча. Нарастваща е популярността на модули, при които изборът на обхвата се прави чрез персонален компютър.
Вторият тип са цифровите изходи, на които стойността на входния сигнал се получава в съответствие с някои от известните интерфейси – сред най-често използваните са RS-232, RS-485, SPI, ASCII Serial Protocol, HART Protocol и MODBUS Serial Protocol, а напоследък и USB. Има и модули с изход за импулси с широчинно импулсна модулация, чиито коефициент на запълване е правопропорционален на входния сигнал. Някои производители предлагат към своя комплект от модули и специализиран сървър със същото конструктивно оформление като тях, позволяващ предаване на данните от тях по локални компютърни мрежи и Интернет.

Модули за термодвойки
Използват се за измерване на температура, като всеки модул в зависимост от структурата си може да работи с два или повече вида термодвойки, определящи обхватите на измерване. Според съществуващия принцип, трябва освен термодвойката, поставена в точката на измерване на температурата, да има още една термодвойка при фиксирана температура. В съвременните модули, последната, заедно с нейната температура, се симулира от електронен блок (Cold Junction Compensation), най-често вграден в модула, а в изолирани случаи – свързван външно към специални негови изводи. На фиг. 1 е дадена обобщената структура на модул, на чийто единствен вход IN се свързва термодвойката независимо от типа й. Напрежението й се преобразува от аналоговоцифровия преобразувател ADC (обикновено 24-разреден) и полученото число постъпва в микроконтролера uC. Той може да работи самостоятелно или да е свързан с микропроцесора на системата, част от която е модулът. Предназначението на uC е да управлява целия процес на измерване: през колко време да се провеждат измерванията, резултатите евентуално да се записват в паметта му, да сравнява числото от всяко измерване със записаната в паметта максимална температура и ако тя е превишена, да подаде сигнал за аларма, който чрез оптрона Opt2 задейства ключа SW за осигуряване на необходимото логическо ниво на изход Alarm. Благодарение на Opt2 се осигурява галванично разделяне на входа IN от изхода Alarm. Числата от всяко измерване се получават на изход А и през оптрона Opt1 и цифрово-аналоговия преобразувател DAC осигуряват напрежение на изход U_Out и ток на I_Out. Особено важно качество на почти всички модули е, че изходната им величина зависи линейно от температурата, независимо от силно нелинейните характеристики на термодвойките. Тази линеаризация се осигурява от uC. В много модули микроконтролерът заедно с допълнителен блок осигурява автоматично нулиране на изходното напрежение (Autozero) преди всяко измерване, което повишава точността. Външното захранващо напрежение се подава на PwrIn и преобразувателят Conv осигурява необходимите постоянни напрежения на всички блокове.Чрез прекъсната линия е показано, че блокът може да има и изход за захранване на евентуални индикатори на модула, например за налично захранване и измерване на на температура извън обхвата.
Много са модулите за едновременна обработка на сигнали от повече термодвойки (до 16) , т. е. за едновременно измерване на множество температури. Това се осигурява с помощта на мултиплексор на входа на ADC, който се управлява от микропроцесор.
Освен температурните обхвати, които се определят от използвания тип термодвойка, други параметри са абсолютна грешка (Accuracy) със стойности между няколко стотни от °С и няколко °С, времето на преобразуване (Conversion Time) между няколко стотици ms и няколко десетки ms (с увеличаване на времето грешката намалява и затова има модули с възможност за избор на режим High-resolution e с минимална грешка и голямо време и High Speed с малко време и по-голяма грешка) и входен импеданс (Input Impedance) – типично няколко десетки MW.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top