Модули за обработка на сигнали от сензори

ПОДОБНИ СТАТИИ

Датчици за измерване на температура – новости

Съвременни компоненти и модули за захранване по Етернет (PoE)

Wi-Fi комуникационни модули за микроконтролерни системи

Възможности за повишаване на ефективността с интелигентни ОВК системи – част I

Технологии за измерване на цвят в индустрията

Детектор на напрежение със свръхниска енергоконсумация удължава живота на батериите при сензори

Микромодули на постояннотокови захранвания

Част II - структура и работни параметри на различни типове модули 

     В продължение на статията от брой 7/2011 на сп. Инженеринг ревю, в която ви запознахме с основните характеристики на модулите за обработка на сигнали от сензори, в настоящия материал представяме структурата и работните параметри на модулите за резистивни сензори на температура, сензори в мостово свързване, за честота, за ъгломери, за акселерометри, с потенциометричен вход и други разновидности.

Модули за резистивни сензори на температура
Използват промяната с температурата на съпротивлението Rt на сензорите (RTD), които могат да са платинови (Pt100, Pt500 и Pt1000), медни (Cu10, Cu25, Cu53 и Cu100) и никелови (Ni100, Ni120, Ni500 и Ni1000). Принципът на измерване е осигуряване от модула на неизменен ток I до няколко mA през сензора, при което напрежението му RtI е пропорционално на температурата. Когато сензорът е близо до модула (до десетина m) може да се използва най-простото двупроводно свързване (фиг. 1а), при което напрежението на входа на модула е (Rt+RL1+RL2)I, където RL1 и RL2 са съпротивленията на свързващите проводници, очевидно внасящи грешка в измерването. При трипроводното свързване (фиг.1б) тя се избягва, когато RL1=RL2=RL3, например, трите проводника са от един кабел. Това позволява голяма тяхна дължина, но съпротивлението на всеки от тях не трябва да е над 50-100W (то зависи от модула и се дава в каталога му). По-голямата част от модулите са с 3-входни клеми и позволяват всяко от тези свързвания. Сравнително по-редки са тези за четирипроводно свързване (фиг. 1 в), при което не е необходимо равенство на съпротивленията на проводниците, но те отново трябва да са до 50-100W. И при трите свързвания се препоръчва използването на екраниран кабел, чиято оплетка се свързва към предвидени за това клеми на модула.

Основната структура на модулите е дадена на фиг. 2а. След входния блок v/U е усилвателят Amp за увеличаване на напрежението до необходимата стойност за изход U_Out. Преобразувателят U/I е само за модулите с токов изход, а цифровият блок Dig осигурява цифров сигнал на изхода Comm. Пример за символичното означение на модул с галванично разделяне на входовете и изходите от захранването е даден на фиг. 2б.
Голямо е разнообразието на температурни обхвати, като желан от тях за всеки модул се избира чрез механичен превключвател или микроключета. Сравнително малко са модулите с един обхват. Долната граница на измерваните температури е -200°С, горната достига +850°С, а разликата на максималната и минималната температура на обхватите е между 150°С и 1000°С. Грешката на измерване се дава като % от максималната температура (между ±0,1% и ±0,5%) или като абсолютна стойност. По-рядко използван параметър е разрешаващата способност (Resolution) с типични стойности около 0,1°С, която показва най-малкото изменение на температурата, което може да бъде измерено. Последният основен параметър е времето на измерване, което е от момента на промяна на температурата до установяване на 90% или 99% (в зависимост от модула) на съответстващата й изходна величина. Типичните стойности са няколко десети от s. Вместо него може да се дава честотната лента (Bandwidth), като то е приблизително равно на реципрочната й стойност.

Модули за сензори в мостово свързване
Едно от мощните направления в измерването на неелектрически величини е чрез сензори, чието съпротивление се променя в зависимост от величината, като от многобройните примери е достатъчно да се споменат тензосензорите. Най-ефективният начин за свързването им е Уитстонов съпротивителен мост, за което има три възможности. Първата е замяна само на едно от рамената му с тензорезистор (Quarter Bridge), втората е мост с тензорезистори в двете си рамена (Half Bridge) и третата (най-често използвана) е тензорезистори в четирите рамена (Full Bridge) FB. Популярното наименование на последния, предназначен за измерване на силата на натиск и опън, е Load Cell (LC). Именно за FB са предвидени най-голямата част от модулите, а по-рядко са такива с възможност за работа и в трите свързвания.

Единият диагонал на моста се захранва със стабилизирано постоянно напрежение (Excitation) Е от модула, което в някои модели е с фиксирана стойност между 1 и 10V, а в други може да се задава чрез регулатор на лицевата плоча в тези или по-тесни граници. По принцип с по-голямо Е могат да бъдат измерени по-малки изменения на съпротивлението на сензорите в моста и съответно на измерваната величина. Освен стойността на напрежението параметър е максималният ток (няколко десетки mA), осигуряван от модула за моста, който пък определя минимално възможното съпротивление на сензорите. Вместо тока могат да се задават границите на съпротивленията на сензорите (Bridge Resistance): минималната е около 100W, а максималната достига 20kW. За практиката е важно, че в някои модули изходът за захранване на моста е със защита от късо съединение. Напрежението в другия (измервателен) диагонал на моста се подава на входа  на модула, като основната схема на свързване е на фиг. 3. Допълнителните входове на модула Sense+ и Sense- са за избягване на влиянието на проводниците за захранване – така модулът осигурява стабилизирано напрежение в диагонала на моста, а не на своите изходи. Изводите Signal+ и Signal- на моста се свързват на входа на модула.

Основен параметър на FB е изходното им напрежение с мерна единица mV/V (например 0,5-50mV/V), която показва стойността на напрежението в измервателния диагонал при максималната стойност на неелектрическата величина за всеки волт от захранващото напрежение. Например LC има изходно напрежение 2mV/V, захранва се с 10V и може да се използва за измерване на сила на натиск до 20kg. Следователно при тази стойност се получава изходно напрежение 20mV, а при сила x,kg то е x,mV. Входното напрежение на FB може да е еднополярно с един или повече обхвата в границите от 0-10mV до 0-200mV или двуполярно (от ±5mV до ±200mV) като надхвърляне на максималната стойност води до увеличаване на грешката на измерване, която обикновено е няколко десети от % от горната граница на обхвата. Обхватите се избират чрез микроключета, които в действителност променят коефициента на усилване на диференциален усилвател за входното напрежение. Понякога като параметър се дава разделителната (разрешаващата) способност (Resolution) с мерна единица бит (b), съответстваща на минималното входно напрежение, което може да бъде измерено. Например при нейна стойност 24b и обхват 0-100 mV минималното напрежение е 100/224 mV. Входното съпротивление на модула има голяма стойност (от 1MW до няколко GW) и затова се дава рядко като параметър. Съществена е максимално допустимата честота на входното напрежение (стойности между няколко kHz и няколко десетки kHz), която същевременно е максималната честота на механичните усилия върху сензорите.
Съществуват многоканални модули, които по описания вече начин чрез мултиплесор могат да работят с до 8 моста.

Модули за честота
Входният сигнал на тези модули (Frequency Input Signal Conditioner, Frequency Converter) може да е напрежение, ток или и двете (в зависимост от модела) във фиксирани или програмируеми граници. Минималното напрежение е около 1 V, максималните – между 10 V и 200 V, а токовете – до 20 mA. В повечето случаи модулите осигуряват едно или две постоянни напрежения за захранване на различните източници на сигнали, а за всеки от тях или група от няколко има отделни входове. Едни от източниците са механични контакти, например магнитни за измерване на обороти чрез периодично преминаване на постоянен магнит покрай тях. Пример за свързването им е показан на фиг. 4а – модулът осигурява постоянното напрежение +U1 (стойност 10 - 15 V), което при затворен контакт се подава на вход NPN/PNP. Други са сензорите NUMUR, които имат малък импеданс при липса на метален предмет в близост до тях и голям при неговото наличие. Свързват се към постоянно напрежение (U2 на фиг. 4б) и в зависимост от импеданса им във вход NUMUR IN има малък или голям ток. Сензорите за приближение (Proximity Sensor, PS) осигуряват излизащ ток (PNP Sourcing) или влизащ ток (NPN Sourcing) и трипроводното им свързване е съответно на фиг. 4в и г. Използват се и генератори на правоъгълни импулси (свързването е на фиг. 4д) и енкодери, като изходът им се свързва по същия начин, а захранващото напрежение се осигурява от модула или външен източник.

Обхватът на честотите е с долна граница между 0 и десетина Hz и горна от няколко десетки kHz до 120 kHz, като на всяка честота съответства определена стойност на изходното напрежение или ток. Има модули с повече от 10 обхвата, например най-малкият е 0 - 20 Hz, а най-големият е 0 - 50 kHz. Зависимостта на изходния сигнал от честотата е практически линейна при грешка на измерването няколко десети от %. Принципът на измерване е определяне на периода и преобразуването му чрез вградения микроконтролер и цифровоаналогов преобразувател в напрежение или ток.

Модули за ъгломери
Работят съвместно със сензори (Tilt Sensor), чийто изходен сигнал е пропорционален на наклона им спрямо оста на земното притегляне. Съществена особеност е, че почти винаги представляват печатна платка с площ десетина cm2, съдържаща сензора и електронен блок за обработка на сигнала му. Разделителната способност е 0,01°, а времето за измерване е не повече от 0,1s. Приложенията на тези модули са за фиксиране на хоризонталното положение на машини и апаратури при монтажа им, индикация на положението на превозни средства и фотокамери, в геофизиката.

Модули за акселерометри
На техния вход се свързва сензор за ускорение (най-често пиезоелектричен), който осигурява изходно напрежение пропорционално на приложената върху него сила на ускорение. То преминава през високочестотен филтър с гранична честота няколко десети от Hz (AC Coupling на фиг. 5, която дава представа за структурата на модулите), усилва се и отново преминава през нискочестотен филтър (19kHz Lowpass Filter) за отстраняване на шумовете. Променливото изходно напрежение е пропорционално на ускорението, обикновено измервано в g. Освен това модулът осигурява стабилизиран постоянен ток за пиезоелектричния сензор IEX със стойности обикновено 4 или 9 mA.

Два са начините за реализация на модулите. Единият е като печатна платка, съдържаща и сензора, при което основни параметри са максималната стойност на ускорението (обикновено ±2g или ±3g, като знакът показва посоката на ускорението спрямо оста на модула) и чувствителността. Тя представлява изходното напрежение при ускорение 1g с мерна единица mV/g и типични стойности няколко стотици mV/g. Трябва да се отбележи, че обикновено максималното изходно напрежение е равно на стабилизираното напрежение в самия модул, а при нулево ускорение на изхода е половината от него. Например при захранващо напрежение 3V, чувствителност 333mV/g и изходно напрежение напрежение 1,3V ускорението е (1,5 V - 1,3V):333mV/g = 0,6g, т.е. приложеното външно ускорение е 0,4g с обратна посока на земното. На фиг. 6 е даден външният вид на такъв модул с размери 21x10x8 mm и възможност за измерване на ускорение в три взаимно перпендикулярни оси, посоките на които са показани на фигурата, а Xout, Yout и Zout са изходите за съответстващите ускорения.
Вторият начин са класически модули с вход за външен сензор, при което вместо чувствителност като параметър се дава коефициентът на усилване на усилвателя. При многоканалните модули всеки от каналите има собствен усилвател и филтри, а мултиплексор свързва даден от тях към изхода на модула.

Модули с потенциометричен вход
Те (Potentiometer Input Signal Conditioner, Potentiometer Measuring Transducer) преобразуват напрежението между плъзгача и един от изводите на потенциометър в постоянно напрежение или ток. Самият потенциометър може да е в сензор за линейно преместване или ъгъл на завъртане. Идея за структурата на модулите и свързването им е дадена на фиг. 7. На изводи 1-2 постъпва захранващото напрежение, което чрез Conv1 се преобразува в необходимото за захранване на блоковете на модула. Чрез REF се осигурява стабилизирано напрежение между изводи 3 и 5, като в някои модули могат да се задават няколко негови стойности между 1 и 10V чрез външни микроключета. Напрежението между 4 и 5, което е пропорционално на положението на плъзгача, се преобразува от Conv2 в напрежение или ток на изхода Out.

Полезно е да се има предвид, че някои от модулите имат допълнителна възможност за измерване на съпротивление на сензор (за каквато и да е неелектрическа величина), без той да е включен в мост, което се преобразува в напрежение, тъй като модулът осигурява неизменен ток.

Други модули
Освен описаните дотук модули съществуват и други разновидности, които могат да се обобщят в две групи. Първата включва модули за измерване на постоянни или постоянни и променливи напрежения и токове, като има разновидности само за една от тези величини (Voltage Input Module, Current Input Module). Постоянните напрежения в повечето случаи са еднополярни, но има модули и за двуполярни напрежения. При измерване на напрежения входното съпротивление на модулите е голямо (между няколко десетки kW и няколко MW), а при измерване на токове – малко (между няколко десетки и няколко стотици W). Винаги има няколко обхвата за всяка от величините, като тези за напрежението са от 10 mV до 400 V, а за тока – между 10 mA и 5 А, като в някои случаи началото на обхвата е 4mA. Относителната грешка при измерването е около ±0,1%.

Втората група са универсалните модули (Universal Transducer, Universal Converter), предназначени за работа с два или повече вида сензори. Една от често срещаните разновидности е прибавяне към измерването на неелектрическа величина или величини това на напрежение и/или ток. Примери за други комбинации са: за измерване на температура с термодвойки и RTD, за тези две измервания плюс постоянно напрежение и ток, за всички последни измервания плюс потенциометричен вход и измерване на съпротивление, за честота и постоянни напрежения и токове.