Подготовка и обработка на сигнали от сензори

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6/2015 • 18.12.2015

Mного инженери - технолози и специалисти по КИПиА, а също и разработчиците и интеграторите на цялостни системи, редовно се сблъскват с трудната задача да изберат модул за обработка на първичните сигнали и подаването им към следващото ниво. Целта им e да получат най-висококачествения модул при възможно най-ниската цена.

Първата стъпка към правилния избор е планирането на системата при пълна яснота по отношение на системните изисквания. Като минимум трябва да се определи каква физична величина ще измерва датчикът на входа си, какъв ще е изходният му сигнал, необходима ли е галванична изолация, каква ще е потребяваната мощност, какви са допустимите размери и какви са критериите за ефективно функциониране.

 

Обект на настоящата статия са някои характеристики на модулите за обработка на сигнали като точност, възможности за настройка, галванична изолация, възможности да издържат големи пикови смущения по напрежение, защитеност срещу радиочестотни и електромагнитни смущения, окомплектоване в цялостна система и ремонтопригодност.

Точност, линейност и повторяемост на грешката
Точността на системата като цяло е толкова висока, колкото е точно нейното най-неточно структурно звено. Това обикновено е датчикът или точката на преход от механично въздействие към електрически сигнал. Ако примерно датчикът е с точност до 5%, най-вероятно няма да са нужни изключително точни елементи и модули по трасето на обработката на сигнала.

Аналогично, ако датчикът е много точен, не бихте искали да влошите качеството на цялата система с някой евтин модул по пътя на преобразуването на сигнала. Показателите за точността, линейността и повторяемостта на грешката са много разнообразни.

В показателите за точността трябва да се включва комбинираното въздействие на следните фактори – повторяемостта на грешката, хистерезиса на предавателната функция, линейността при апроксимация по метода на крайните точки и стъпката, с която може да се извършва настройка. В тях трябва да е посочен и най-лошият случай, или максималната грешка на модула при дадени еталонни условия (напр. температура 25 °C; захранване от постоянно напрежение 24 V и изходен товар 250 ома).

Ако датчикът не е част от модула, в показателите за точността вероятно няма да е посочена отделно точността на датчика.
Когато се знаят максималните сумарни грешки на даден модул при еталонни условия, може да се тества целият възел при условията, посочени от производителя на модула, и така да се оцени точността на системата в цялост.

Термините повторяемост на грешката и хистерезис на предавателната функция се отнасят до характеристиките на изхода на преобразувателния модул при промяна на входния сигнал в посока “нагоре” и “надолу”. Модулът дава на изхода си различен резултат при една и съща стойност на входната величина в зависимост от посоката, от която се достига до стойността на входа – отгоре при намаляване, или отдолу при увеличаване (това се дължи на толерансите на използваните компоненти, на загубите в сърцевината на трансформатора, неточността на потенциометрите и т. н.).

Ако при дефинирането на точността е отчетено комбинираното въздействие на тези два фактора – повторяемостта и хистерезиса, това означава, че резултатът на изхода винаги (т. е. може винаги да се повтори) ще е в дадени граници (в %) около идеалната стойност.

Линейността при апроксимация по крайните точки и стъпката за настройка означават, че модулът се калибрира по крайните точки (при минимум и максимум на входната величина) и при достатъчно точно задаване на тези стойности (при достатъчно малка стъпка) ще работи при дадените в спецификацията качествени параметри.

Всъщност методът за определяне на линейността чрез апроксимация по крайните точки дава възможност за изчисляване на грешката E (точността) като функция на изходния обхват по следната формула: 
E = (измерената изходна стойност – идеалната изходна стойност) x 100 / изходния обхват

Обикновено точността е в рамките на ±0,1% от изходния обхват. Това означава, че един линеен преобразувател, калибриран за изходно напрежение в границите 1-5 V DC (обхват 4 V), ще даде на изхода си отклонение в рамките на ±4 mV от идеалния резултат (обхватът 4 V x 0,001). Освен това, тъй като в указаната точност трябва да са отчетени повторяемостта на грешката и хистерезиса, изходният резултат трябва винаги да е в рамките на ±4 mV от идеалния. Ако точността, линейността и повторяемостта на грешката са дадени отделно, може да се наложи да комбинирате отделните каталожни данни, за да формирате сумарната точност.

Възможности за настройка (на нулата/на обхвата)
При преобразувателите с възможност за настройка могат да се компенсират отклоненията на изходния сигнал, а това обикновено си струва допълнителните разходи. Настройката може да се извършва на хардуерно и на софтуерно ниво. В някои приложения не се ползва софтуер и затова трябва да е предвидена хардуерна настройка.

В други, в които се ползват компютри и включват събиране на данни и управление, не е възможно или пък не е удобно всички настройки да се правят софтуерно. Ето защо възможността за настройка и калибриране на хардуера е задължителна, като по този начин може да се променя работният режим само на конкретния преобразувател, без да се засягат други елементи на системата.

При това процесорът не се претоварва и същевременно не се прави отстъпление от високите изисквания за точност. Да разгледаме следния пример. Преценявате качествата на два преобразувателя на сигнали. Изходният обхват и на двата е в границите 1-5 V DC и точността им е ±0,1% от този обхват (4 mV). Единият не може да се настройва и може да поеме входен сигнал в условни граници 0-100%, а другият дава възможност за настройка/промяна на изходния обхват до 50%.

След като определите изискванията, на които трябва да отговаря вашата система, решавате, че ще ви трябва само половината от входния обхват от 0 до 50%. Няма да имате проблем да калибрирате втория преобразувател, като запазите целия изходен обхват при същата точност от ±0,1%.

Първият преобразувател обаче не може да се настройва и ще дава на изхода си стойности само в границите 1-3 V DC (обхват от 2 V DC) при промяна на входния сигнал от 0 до 50%. Нека пресметнем, 4 mV от обхват 2 V DC прави 0,2%. Получава се, че първият преобразувател не само, че не е гъвкав, но се оказва, че е и два пъти по-неточен от втория.

В реалността датчиците не осигуряват образцови изходни стойности (примерно от 0,00 mV до 50,0 mV), а само приблизителни – да кажем от 6,37 mV до 49,8 mV. Това дава на преобразувателите с възможност за настройка две предимства: те могат да мащабират сигнал с неудобна най-малка и най-голяма стойност и чрез подходящо калибриране оптимизират работата, така че да компенсират грешките на датчиците и/или на цялата система (напр. поради по-ниски напрежения, неточности на други модули и т. н.).

Някои допълнителни предимства на преобразувателите на сигнали с възможност за настройка:
• С течение на времето компонентите стареят и номиналните им стойности се променят. Възможността за калибриране и корекция на преобразувателя увеличава срока му на работа.
• Преобразувателят с възможност за настройка спестява и много процесорно време, което иначе би отишло за изчислителна работа, ако разчетът е бил всички настройки и корекции да се извършват софтуерно. Елиминира се необходимостта от допълнителни изчисления спрямо крайните точки. Удобно е корекциите и мащабирането да се вършат от софтуера, но в зависимост от крайните точки (резултатите при минимална и максимална стойност на входния сигнал), мащабирането може да подобри значително разрешаващата способност и точността, с която се отчита сигналът.
• Възможността за настройка на нулата и обхвата на преобразувателя позволява да се променя работният му режим, без да се засягат други модули, без да се товари главният процесор и без това да се отрази на точността на цялата система.
• Възможността за настройка на преобразувателите намалява набора от устройства, които да се държат на склад. Колкото по-гъвкави са устройствата, толкова по-малко уникални модули със строго фиксирано приложение ще имате. А тези с настройка в повечето случаи могат да се ползват и след промяна на експлоатационните условия и/или на технологията – трябва само да се пренастроят.

Изолация
Изолация на един преобразувател на сигнали означава, че липсва пряка електрическа (или нискоимпедансна) връзка между две или повече точки (или вериги). Два основни вида компоненти се използват за изолация – трансформатори и оптрони. И двата предават сигнали от една верига към друга (чрез прехвърляне на магнитна или светлинна енергия), и при двата импедансът между входа и изхода е много висок.

Има две основни причини, поради които може да е необходима изолация: за разделяне на контурите на “земите”, които са с различни потенциали и за предпазване на оборудването от високоволтови разряди и кратковременни пикове на напрежението.

Четирите възможни комбинации за реализиране на галванична изолация при преобразувателите на сигнали са:
• Изолация на входа. Входът е изолиран или плаващ спрямо изхода и захранването и не е свързан към земя, а изходът и захранването са с обща земя. Към нея е свързан и преобразувателят. Такава изолация се ползва обикновено при подвеждане на външни сигнали към системата.
• Изолация на изхода. Изходът е плаващ, а входът и захранването са с обща земя. Използва се при предаване на сигнали от системата към външно оборудване.
• Тройна (пълна) изолация. Входът, изходът и захранването са напълно изолирани един от друг. Преобразувателите с пълна изолация могат да се ползват като свързващо звено между три системи, всяка от които е със собствена земя.
• Изолация на захранването. Входът и изходът са на обща земя и са изолирани спрямо земята на захранването. Изолацията на захранването или пълната изолация осигуряват защита, когато захранващите източници са с различна земя спрямо източниците на сигналите.

След като вече сте наясно, че е необходима галванична изолация, трябва да се определят допустимите пределни стойности на напрежението и се направи справка в техническата документация. Що се отнася до изолацията, трябва да са посочени две стойности: непрекъснато работно (анг. continuous) и пробивно (анг. breakdown) или максимално напрежение. Не обърквайте двете, когато сравнявате справочните данни.

Под непрекъснатото работно напрежение се разбира диференциалното напрежение (известно още като синфазно - анг. common mode voltage), което може да се подава непрекъснато между двете изолирани вериги. Типични стойности за най-разпространените преобразуватели са 250 V AC или 354 V DC.

Под напрежение на пробив се разбира такава висока стойност на синфазното напрежение, която преобразувателят може да издържи, но само за определен интервал от време, след което изолационната бариера ще започне да се разпада. Обичайна стойност е 1500 V AC в продължение на една минута без пробив, което, при правилно проектиране и тестване, ще е удовлетворително за множество приложения.

Когато са нови, преобразувателите с вградена галванична бариера могат да издържат на въздействия в границите, посочени в спецификациите. Но такива фактори като стареене, натрупване на прах и износване под влияние на околната среда могат да влошат качеството на галваничната бариера и тя може да се пробие. В общия случай обаче, ако изделието е проектирано и тествано по установените правила, то срокът му на служба ще е по-голям и ще има допълнителен запас от сигурност.

Обикновено в повечето приложения изолацията е необходима, когато трябва да се предават сигнали от едно място към друго. Ако не сте сигурни какъв вид галванична бариера ви е нужна, консултирайте се със специалист. А когато поръчвате, питайте какво стои зад посочените стойности – как са постигнати и как са тествани.

Устойчивост на високоволтови смущения
Устойчивостта на импулсни смущения с високо напрежение (Surge withstand capability – SWC), с която се означава способността на едно устройство да не се влияе от честотни въздействия с високо напрежение, трябва винаги да се има предвид там, където се ползват сигнални преобразуватели.

Обикновено изпитанието се състои в следното: към входните/изходните клеми на устройството и към всяка от галваничните бариери в продължение на 10 секунди, синхронизирано с мрежовата честота (50 или 60 Hz), се подава пакет от много кратки високоволтови импулси (като се почва с пик от 2 kV), чиято амплитуда спада до нула в рамките на полупериода. Преобразувател, който има защита срещу високоволтови смущения, няма да се повреди при тези пикови въздействия и е по-надежден при експлоатация.

Радиочестотни/електромагнитни смущения
Нарастващата нужда от надеждна комуникация в рамките на предприятието изисква все по-голяма част от промишлените електронни устройства да са проектирани така, че да не се влияят от радиочестотни смущения (РЧС, анг. RFI). Същевременно, трябва да се отчита и уязвимостта им откъм електромагнитни смущения (ЕМС, анг. EMI), причинени примерно от превключването на индуктивни товари или от шума в локалната електрозахранваща мрежа при работата на тежко производствено оборудване.

За съжаление, доста голяма е вероятността да не разберете, че се нуждаете от защита срещу РЧС/ЕМС, докато някой не включи радиопредавател близо до вашето устройство или не го инсталира в среда с висока степен на зашуменост в електрическата мрежа, при което показанията му ще станат грешни. За устройствата, в които е предвидена защита срещу радиочестотни смущения, трябва да е посочен диапазонът на потисканите честоти с интензитет на полето, превишаващ десет волта на метър. Обичайно такива честотни диапазони започват от 27 и достигат до 900 MHz.

За намаляване на влиянието на радиочестотните смущения има два широко използвани метода. Единият се състои в това устройството да се постави в заземена метална кутия и да има филтрови кондензатори на входните клеми (Фарадеев кафез). При другия се използват комбинация от индуктивности, филтрови кондензатори и се мисли много внимателно за разположението на компонентите върху платката и за технологията, по която тя ще бъде произведена – всичко това с оглед да се минимизира влиянието на РЧС.

И двата подхода имат своето място, водят и до сходни резултати, но вторият позволява използването на трайни, евтини пластмасови кутии вместо скъпи метални. Освен това при него може да се отварят капаци и устройството да се калибрира както си е на място в експлоатационни условия, там, където действат реалните радиочестотни и електромагнитни смущения.

Намаляването на влиянието на РЧС изисква значително повече усилия, отколкото на ЕМС. РЧС достигат до всички вериги и лесно могат да попаднат на входа на усилвателните стъпала. ЕМС постъпват основно през проводниците на входа и могат да бъдат блокирани и потиснати чрез схемотехнически решения.

При производителя се тества дали подадените на входа ЕМС се появяват на изхода на преобразувателя – ако не, значи той е защитен от пикови шумове. Установи ли се, че в устройството липсва защита срещу ЕМС, ще трябва самостоятелно да намерите решение с външни защитни филтри срещу пикови напрежения (surge protectors) и ограничителни диоди.

Окомплектоване
Модулите за обработка на сигнали се предлагат с възможност за окомплектоване в най-разнообразни форми като например монтаж на DIN-релса, в шкафове с общо предназначение и системи, в които на шина с носеща конструкция се монтират платки със стандартен размер (19 инча). За различните приложения се изисква различен вид окомплектоване.

За устройства с малки обеми е достатъчен само един самостоятелен шкаф, докато при по-големи обеми е необходим шкаф с по-сгъстена и по-сложна вътрешна организация (в които монтажът се извършва на релса или на шина с носеща конструкция). Ако характеристиките на помещението затрудняват разгръщането на една система, тогава значението на начина на окомплектоване нараства и ще ви бъде от полза да знаете какво е налично.

Електрическите връзки и методите за полагане на проводниците също зависят от начина на окомплетоване. В някои случаи трудността да се подаде захранване към множество автономни уреди/модули може да се намали драстично, ако се използва шинна система с носеща конструкция, в която да се вкарват модулите (всеки на самостоятелна платка).

Шината по същество представлява дънна платка, по която се подава и захранването. При такива системи потребителят подвежда външното захранване само към един клемен блок и вече вътрешно, по шината, се подава захранването към всеки един от монтираните на нея модули. Освен това при шинното решение електронните модули са отделени от клемните блокове, към които се свързват проводниците, а така става възможно да се махат или заменят модули, без да се разкачат/закачат кабели.

При други начини на окомплектоване модулният подход е още по-силно изразен. Монтажът на DIN-релса например дава оптимална възможност за разширение и добавяне на произволен брой сигнални преобразуватели, като свързването се осъществява по конвенционалния начин – с кабели. Шинните системи с носеща конструкция могат да имат предимства, в случай че повечето канали или входни/изходни точки се използват пълноценно.

Самостоятелните устройства за обработка на сигналите са изгодни, когато не са необходими много от тях; ако те са част от система, изградена на модулен принцип, цената за една входна/изходна точка ще зависи от общия брой на използваните точки и от общия брой на устройствата.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top