Почему в системах управления датчики дополняются усилителями ответ

Усилители систем автоматики

Калачеевский аграрный техникум

Выходные сигналы датчиков и других элементов, как правило, очень слабые и не могут использоваться непосредственно для приведения в действие элементов систем автоматики. Выходная мощность датчиков в большинстве случаев составляет сотые, тысячные доли ват­та, тогда как мощность, необходимая для управляющего органа, может достигать десятков и даже сотен киловатт. Поэтому в современных автоматических системах управления широко применяют усилительные элементы (усилители), которые нередко наряду с основным назначением усиливать мощность сигнала выполняют и функцию его преобразования в вид, более удобный для работы системы.

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии дополнительного источника питания, при этом выходная (усиленная) величина является функцией входного сигнала и имеет одинаковую с ним физическую природу.

Усилители различают по выходной мощности, виду подводимой вспомогательной энергии, коэффициенту усиления, принципу действия, по форме характеристики, выражающей зависимость между выходной и входной величинами, и по ряду иных признаков.

Для достижения таких значений необходимо включить последовательно несколько усилителей автоматики.

Единицы измерения входных и выходных сигналов усилителей одинаковые. Ими могут быть единицы мощности (Вт; кВт), напряжения (В), тока (А), скорости (м/с), давления (Па), силы (Н) и т.д. Соответственно единицам измерения величин коэффициент усиления может быть назван коэффициентом усиления по току, напряжению, давлению, но основным считают коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент усиления усилителей достигает тысяч, сотен тысяч и даже более раз. В электрических усилителях различают усиление по мощности, напряжению и току.

Коэффициент усиления по мощности в зависимости от принципа действия и конструкции усилителя может составлять от 1 до 10 7 .

Усилению могут подвергаться не только электрические параметры, но и другие входные величины (перемещение, скорость, усиление, давление и т. п.). Усилительный элемент совместно с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы называют усилительным каскадом. Если усиления сигнала одним каскадом недостаточно, применяют соединение нескольких каскадов, выполняющих роль предварительного усиления и обеспечивающих работу мощного выходного каскада. Поэтому различают однокаскадные и многокаскадные усилители, при этом в многокаскадном усилителе первый каскад от входа называется входным, а последний выходным.

Электронные усилители (ЭУ) широко применяются в системах автоматики для предварительного усиления сигналов, получаемых от датчиков. Предварительная выходная мощность усилителей на превышает 100 Вт (Ватт). К ним относятся усилители постоянного и переменного тока: ламповые, полупроводниковые, операционные, электромашинные, электромеханические и магнитные.

Полупроводниковые усилители характеризуются незначительной мощностью потребления, достаточной надежностью, высоким быстродействием, сравнительно большим коэффициентом усиления, малыми размерами и поэтому вытеснили ламповые усилители из многих сфер применения. Они могут работать на постоянном и переменном токе. По способу включения полупроводниковых триодов эти усилители делятся на три основных вида: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером.

Тиристорный усилитель. В качестве его основного усиливающего элемента используется тиристор, который в зависимости от числа выводов и назначения называется динистором, тринистором и семистором.

Динистор – это тиристор с двумя выводами (рис. 1). Для его включения необходимо, чтобы напряжение на нем превысило так называемое напряжение включения. Отключение динисторов происходит при снятии напряжения питания или уменьшении тока нагрузки до уровня тока выключения.

Рисунок 1. Схема включения тиристоров.

Тринистор – это тиристор с тремя выводами (рис. 2). Он включается при подаче напряжения включения или тока управления I_у на специальный управляющий электрод. Тринистор включается током управления I_у, сдвинутым по фазе относительно тока нагрузки I_н, с помощью специального фазосдвигающего устройства (ФСУ).

Рисунок 2. Статическая деформация тиристоров.

Рисунок 3. Диаграмма токов работы тиристора.

Отключение тринистора происходит при изменении полярности его напряжения питания или уменьшении тока нагрузки I_н до значения тока выключения. При питании тринистора переменным током (рис. 3) напряжение питания в течение каждого полупериода проходит через нуль, что создает естественные условия для отключения тиристора.

Семистор – это тиристор с четырьмя выводами. В нем предусмотрена возможность управлять переключением цепи переменного тока в течение положительного и отрицательного полупериодов переменного напряжения.

Магнитный усилитель представляет собой электромагнитный аппарат, принцип действия которого основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника с катушкой переменного тока от подмагничивающего действия постоянного тока.

Чем больше постоянный ток в обмотке управления, тем сильнее магнитный поток, создаваемый обмоткой управления, а следовательно, тем выше насыщение сердечника. При этом магнитная проницаемость сердечника уменьшается, что приводит к снижению индуктивности рабочих обмоток, падению их реактивного сопротивления и увеличению тока нагрузки. Таким образом, незначительные изменения постоянного тока управления в подмагничивающей обмотке вызывают весьма существенные изменения переменного тока в рабочей обмотке. В этом и заключается эффект усиления магнитного усилителя. Характеристика магнитного усилителя – это зависимость тока нагрузки от подмагничивающего постоянного тока.

Преимущества магнитных усилителей: простое устройство, высокие коэффициент усиления, КПД, надежность и большой срок службы, отсутствие подвижных частей, нечувствительность К. температуре, ударам и вибрационным нагрузкам.

К недостаткам усилителей относятся большие габаритные размеры, масса и инерционность. Из-за больших постоянных времени они применимы только для усиления низкочастотных сигналов.

Гидравлические и пневматические усилители применяют в автоматических системах для усиления сигналов по мощности. Принципиальные схемы таких усилителей практически не отличаются одна от другой. Если в гидравлических усилителях перемещение испол­нительного органа происходит под действием жидкости, поступающей от специального насоса, то в пневматических рабочей средой является воздух, нагнетаемый специальным компрессором. В сельском хозяйстве гидравлические усилители используют чаще, чем пневматические (например, в гидравлическом оборудовании автомобилей, тракторов, комбайнов, при управлении навесными машинами и др.). Различают два класса гид­равлических усилителей: дроссельные и струйные.

Список используемой литературы

1. В.И. Загинайлов, Л.Н. Шеповалова «Основы автоматики», Москва «КОЛОС», 2001.
2. Л.В.Колесов «Основы автоматики», Москва «Колос», 1984.

Зачем в системах управления датчики дополняются усилителями: подробный обзор

В современных системах управления датчики играют важную роль, позволяя измерять различные параметры и передавать информацию об окружающей среде. Однако, часто самостоятельно сигналы, полученные от датчиков, не достаточно сильны и точных. Именно поэтому в таких системах применяют усилители сигналов.

Основная задача усилителей в системах управления датчики — усиление сигналов, получаемых от датчиков, чтобы дальнейшая обработка данных была более точной и эффективной. Усиление сигналов позволяет компенсировать потерю силы сигнала на пути от датчика к управляющему устройству, а также улучшить его разрешение и точность.

Кроме того, усилители сигналов позволяют устранить шумы и помехи, возникающие при передаче данных между датчиками и управляющими устройствами. Использование усилителей позволяет повысить отношение сигнал/шум, что в свою очередь позволяет получать более достоверную информацию от датчиков.

Однако, выбор и использование усилителей должны быть осуществлены с учетом конкретных потребностей системы управления и характеристик датчиков. Различные датчики могут требовать разные типы и конфигурации усилителей, так как каждый датчик имеет свои особенности и требования к усилению сигналов.

Зачем датчики в системах управления дополняются усилителями: полный обзор

В современных системах управления, датчики играют ключевую роль. Они не только измеряют физические величины, но и передают полученные данные управляющим устройствам. Однако, сам по себе датчик может быть недостаточно чувствительным или неспособным работать в широком диапазоне значений. В этом случае к датчику добавляются усилители, которые позволяют улучшить его характеристики и обеспечить более точные и надежные измерения.

Первая основная причина дополнения датчиков усилителями — повышение чувствительности. Усилитель увеличивает амплитуду сигнала, что позволяет датчику более точно измерять малые изменения величин. Это особенно важно в случае измерения микроскопических величин, таких как давление, температура или уровень света.

Еще одной важной функцией усилителей является устранение шумов и паразитных сигналов. В процессе измерений возникают различные помехи, которые могут исказить полученные данные. Усилитель фильтрует эти помехи и позволяет получить чистый сигнал с датчика.

Усилители также позволяют расширить диапазон измерений датчика. Некоторые датчики могут иметь ограниченный диапазон значений, в котором они работают оптимально. Усиливая сигнал, можно расширить диапазон измерений и получить более полную информацию о физической величине, которую измеряет датчик.

Повышение скорости и быстродействия также являются важными преимуществами использования усилителей. Некоторые датчики могут иметь некоторую инерцию или задержку в передаче данных. Усилитель способен ускорить этот процесс, что позволяет более оперативно реагировать на изменения в окружающей среде.

Надежность и стабильность работы системы также можно повысить с помощью усилителей. Они помогают компенсировать внешние воздействия, такие как температурные изменения или вибрации, которые могут негативно сказаться на работе датчика. Усилитель позволяет устранить или снизить эффекты этих факторов, обеспечивая стабильную и надежную работу системы управления.

Таким образом, использование усилителей в системах управления позволяет значительно улучшить характеристики датчиков и обеспечить точные, надежные и стабильные измерения физических величин. Они являются неотъемлемой частью современных систем управления, которые используются в самых различных областях — от промышленности и энергетики до медицины и научных исследований.

Читайте также: Марко Поло: его путешествия и исторические места, которые он посетил

Надежность и точность измерений

Усилители способны справляться с малыми мощностями датчиков и усиливать их сигналы для дальнейшей обработки и анализа. Это особенно полезно при работе с датчиками, которые производят слабые сигналы, такими как термопары или фотодиоды. Усилители увеличивают амплитуду сигнала и позволяют получить более высокую точность и стабильность измерений.

Кроме того, усилители помогают устранить шумы и паразитные сигналы, которые могут возникать во время передачи или обработки сигналов от датчиков. Они фильтруют нежелательные частоты и помехи, что позволяет получить чистый и надежный сигнал для последующего анализа и контроля.

Благодаря усилителям можно также расширить диапазон измерений, что особенно важно в промышленных системах, где требуется работа с широким спектром значений. Усилители способны увеличивать мощность сигнала и преобразовывать его в приемлемую форму для дальнейшей обработки. Это позволяет обеспечить точность измерений даже при экстремальных условиях.

Кроме того, использование усилителей повышает скорость и быстродействие системы управления. Они помогают сэкономить время, ускоряя передачу и обработку сигналов от датчиков. Это особенно важно в случаях, когда быстрая реакция системы требуется для мгновенного контроля и управления.

Усилители также способны компенсировать температурные и прочие внешние воздействия, которые могут влиять на работу датчиков и искажать получаемые данные. Они стабилизируют сигнал и предотвращают возможные ошибки и искажения измерений, что повышает надежность и точность работы системы управления.

Повышение чувствительности датчиков

Чувствительность датчиков играет ключевую роль в точности измерений и функциональности системы. Если датчики не обладают достаточной чувствительностью, то они могут несправедливо оценивать сигналы или вовсе не реагировать на них. Повышение чувствительности датчиков позволяет системе более точно и надежно измерять различные физические величины.

Применение усилителей позволяет увеличить амплитуду сигналов, что позволяет датчикам зафиксировать больше деталей и изменений в окружающей среде. Это особенно важно при работе с малыми значениями, такими как давление, температура или уровень сигнала.

Усилители способны усиливать слабые сигналы без искажений и потерь информации. Благодаря этому, системы управления могут оперировать с более высокой точностью и надежностью. Повышение чувствительности датчиков способствует более качественным измерениям и более точному анализу данных, что существенно повышает эффективность систем управления.

Устранение шумов и паразитных сигналов

Шумы могут возникать из различных источников, например, из-за электромагнитных полей, механических вибраций, переключения электрических устройств и др. Паразитные сигналы также могут появляться в результате неправильной работы датчиков или из-за окружающей среды.

Читайте также: Расположение и функции плечевой артерии: схема и анатомия

Усилители, дополняющие датчики в системах управления, помогают устранить шумы и паразитные сигналы. Они позволяют усилить слабые сигналы, полученные от датчиков, и фильтруют нежелательные шумы, повышая точность измерений.

Усилители обычно имеют различные режимы работы, которые позволяют настраивать параметры усиления и фильтрации сигналов. Например, можно задать частотные фильтры для удаления шумов определенной частоты или использовать аналоговые или цифровые фильтры для удаления шумов различного типа.

Основным преимуществом использования усилителей для устранения шумов и паразитных сигналов является повышение точности измерений. Это особенно важно в системах, где требуется высокая точность, например, в медицинском оборудовании, автоматических системах контроля и регулирования, научных исследованиях и т.д.

Кроме того, устранение шумов и паразитных сигналов позволяет улучшить стабильность и надежность работы системы. Без усилителей датчики могут давать некорректные данные из-за шумов или паразитных сигналов, что может привести к сбоям или неправильному функционированию всей системы.

В итоге, использование усилителей для устранения шумов и паразитных сигналов является необходимым шагом для обеспечения надежной и точной работы систем управления. Это позволяет повысить качество измерений, улучшить стабильность работы и минимизировать возможность ошибок и сбоев.

Улучшение функциональности системы

Включение усилителей в системы управления датчиками необходимо для улучшения функциональности этих систем. Усилители способны улучшить различные характеристики датчиков и обеспечить более точные и надежные измерения. Вот несколько способов, как усилители могут повысить функциональность системы:

1. Расширение диапазона измерений: когда используются усилители, система способна обрабатывать сигналы с большим диапазоном значений. Это позволяет системе работать с различными типами датчиков и измерять более широкий диапазон параметров.
2. Повышение скорости и быстродействия: усилители помогают увеличить скорость обработки сигналов и повышить быстродействие системы. Это особенно важно в случае быстро изменяющихся параметров и компенсации временных задержек.
3. Компенсация температурных и прочих внешних воздействий: усилители позволяют системе компенсировать влияние различных внешних факторов, таких как температура, шумы, паразитные сигналы и электромагнитные помехи. Это повышает стабильность и надежность работы системы в различных условиях.

Использование усилителей в системах управления датчиками существенно улучшает функциональность и эффективность данных систем, делая их более гибкими, точными и надежными в измерении различных параметров. При выборе усилителей необходимо учитывать требования и характеристики конкретной системы, чтобы достичь наилучших результатов.

Расширение диапазона измерений

Усилители помогают преодолеть ограничения стандартных датчиков, которые могут работать в ограниченном диапазоне значений. Например, если датчик способен измерять температуру только в диапазоне от -20°C до 100°C, то при помощи усилителя можно расширить этот диапазон и охватить более высокие или низкие значения температуры.

Для расширения диапазона измерений усилители увеличивают амплитуду сигнала от датчика, что позволяет более точно измерять физическую величину в большем диапазоне. Усилители обеспечивают повышенную чувствительность и увеличивают разрешение измеряемых значений.

Для наглядного представления результатов измерений с использованием усилителя, можно использовать таблицы. Ниже приведена таблица, демонстрирующая расширение диапазона измерений с помощью усилителей:

Физическая величина	Стандартный датчик	С усилителем
Температура	-20°C до 100°C	-100°C до 200°C
Давление	0 до 100 PSI	0 до 1000 PSI
Скорость	0 до 100 км/ч	0 до 300 км/ч

Читайте также: Экзамены для косметологов: какие предметы нужно сдать?

Таким образом, использование усилителей позволяет расширить диапазон измерений датчиков и обеспечить более точные и надежные результаты измерений в широком спектре значений физических величин.

Повышение скорости и быстродействия

Путем усиления сигнала от датчика перед его переходом к системе управления, усилители позволяют существенно сократить время отклика, что особенно важно при работе с быстро изменяющимися параметрами и внешними воздействиями.

Усилители датчиков позволяют снизить временные задержки при передаче информации от датчика к системе управления. Это позволяет системе быстро реагировать на изменения внешних условий или требований, обеспечивая более точное и своевременное управление.

Быстродействие усилителей датчиков также важно для систем, требующих высокой скорости обработки данных или для систем, где необходимо синхронизировать работу нескольких датчиков или устройств.

Все это позволяет повысить эффективность и надежность работы системы управления, обеспечивая быстрое и точное реагирование на изменения внешних условий. Значительное улучшение скорости и быстродействия системы также позволяет использовать ее в более сложных и требовательных задачах.

Повышение стабильности и надежности работы системы

Усилители помогают улучшить работу датчиков и сделать измерения более точными и стабильными. Они способны компенсировать различные внешние воздействия, такие как температурные изменения или другие факторы окружающей среды, которые могут повлиять на работу датчиков и искажать результаты измерений.

Кроме того, усилители помогают устранить шумы и паразитные сигналы, которые могут возникать в процессе измерений и мешать правильной работе системы. Они выполняют функцию фильтрации и усиления сигналов, что позволяет получить более чистый и точный результат.

Повышение стабильности и надежности работы системы является важным фактором для обеспечения эффективной работы и предотвращения возможных проблем. Усилители позволяют улучшить функциональность системы и гарантировать точность измерений в различных условиях. Благодаря ним, системы управления становятся более надежными и способными давать точные данные для принятия решений.

Компенсация температурных и прочих внешних воздействий

Компенсация температурных и прочих внешних воздействий осуществляется с помощью использования усилителей в системах управления. Усилители позволяют сгладить и отфильтровать шумы и паразитные сигналы, вызванные температурными изменениями и другими внешними факторами.

Специальные алгоритмы и методы компенсации позволяют учесть влияние температуры на работу датчиков и осуществить точные измерения в широком диапазоне температурных условий. Это особенно важно, например, в автомобильной промышленности, где датчики должны работать надежно при разных погодных условиях и изменяющихся температурах.

Компенсация температурных и прочих внешних воздействий необходима для обеспечения стабильности и точности измерений. Она позволяет устранить влияние шумов и паразитных сигналов, что в свою очередь повышает надежность и качество работы систем управления.

В итоге, компенсация температурных и прочих внешних воздействий играет важную роль в повышении стабильности и надежности работы систем управления. Это позволяет достичь высокой точности измерений, а также улучшить функциональность системы в целом.

Индуктивные датчики положения фирмы Pepperl+Fuchs

Статья тематически продолжает цикл публикаций в журнале «СТА», посвящённых изделиям фирмы Pepperl+Fuchs. На этот раз проводится обзор индуктивных датчиков положения. Рассмотрены варианты их конструкций, основные электрические и физические параметры, специальные исполнения датчиков, возможности и особенности применения.

Введение

Индуктивные датчики положения, без сомнения, можно назвать одними из самых распространённых устройств в составе низового оборудования систем управления автоматизированным производством. Они находят широкое применение в машиностроении, пищевой, текстильной и других отраслях — везде, где требуется автоматическое определение положения объектов, будь то детали, заготовки, подвижные элементы конструкций станков, приводов и т.п. Объясняется это их высокими эксплуатационными характеристиками, надёжностью и, что весьма существенно, низкой стоимостью по сравнению с остальными типами датчиков положения.

Сравнительные характеристики датчиков положения различных типов приведены в табл. 1.

Согласно статистике [1], на долю индуктивных датчиков приходится более 90% от общего количества дискретных датчиков положения. Это объясняется тем, что в большинстве систем, решающих с различными целями и в разных отраслях задачу определения положения объекта, гарантированное и надёжное срабатывание обеспечивается за счёт применения именно индуктивных датчиков, вследствие чего им и отдаётся предпочтение при выборе типа датчиков для конкретных проектов.

Основные параметры и особенности применения

Рассмотрим некоторые параметры индуктивных датчиков (ИД), на которые следует обращать внимание при выборе датчиков для конкретного применения и их использования. На рис. 1 показаны устройство (на примере цилиндрического датчика) и функциональная схема ИД.

В двух словах напомним принцип действия датчика: первичная обмотка возбуждается переменным напряжением резонатора. Если в создаваемое таким образом электромагнитное поле поместить объект (вторичную обмотку), то в нём наводятся вихревые токи (токи Фуко). Результирующее ухудшение

добротности первичного контура и, как следствие, уменьшение амплитуды сигнала резонатора вызывает срабатывание компаратора, построенного на основе триггера Шмитта, и после усиления на выход датчика выдаётся нормализованный дискретный сигнал.

Основным параметром ИД является номинальный диапазон срабатывания S_n. Это чисто характеристическая величина, на фактическое значение которой влияют допуски при изготовлении, температура окружающей среды и колебания напряжения питания. Данный параметр измеряется при 20°С и номинальном напряжении питания 24 В постоянного тока или 230 В переменного тока с использованием эталонного объекта — стальной (Сталь 37) квадратной пластины толщиной 1 мм и шириной, в три раза превышающей ожидаемое значение S_n. Важным параметром является эффективный диапазон срабатывания S_r, который измеряется при номинальном напряжении питания и температуре окружающей среды 23±5°С; этот параметр применим только к отдельно взятому из партии датчику в конкретных условиях установки, его значения лежат в диапазоне 0,9S_n≤S_r≤1,1S_n. Полезный диапазон срабатывания S_u определяется также для отдельно взятого датчика, но уже при напряжении питания 85…110% от номинального и температуре окружающей среды –25…+70°С, и составляет 0,9S_r≤S_u≤1,1S_r.

Чтобы оценить гарантированный диапазон срабатывания (гарантированную зону реагирования) S_a (параметр, наиболее широко используемый на практике и обычно приводимый в техническом описании датчика), необходимо воспользоваться соотношением: 0≤S_a≤0,81S_n (в качестве нижней границы диапазона S_n здесь принят 0).

В маркировке индуктивных датчиков фирмы Pepperl+Fuchs величина S_n указывается сразу после буквенного кода модели. Например, датчик NBN2 имеет номинальный диапазон срабатывания 2 мм.

Среди параметров ИД следует особо отметить такие, как повторяемость R и гистерезис H, которые надо обязательно учитывать в целях повышения точности измерений. Повторяемость характеризует изменение диапазона S_r в течение 8 часов при неопределённой влажности и отклонении напряжения питания в пределах ±5% от номинального, обычно R не превышает 0,1S_r. Гистерезис — расстояние между точками срабатывания в режимах приближения или удаления объекта от датчика; как правило, значение этого параметра составляет не более 0,2S_r.

Очевидно, что на диапазон срабатывания ИД оказывают влияние и электромагнитные свойства материала объекта — магнитная проницаемость и проводимость. Уменьшение диапазона срабатывания для различных материалов относительно S_n характеризуется коэффициентом редукции датчика, обозначаемым как r_Al, r_Cu и т.д. в зависимости от материала (соответственно алюминий, медь и т.д.). Например, для Стали 37 (материал эталонного объекта) он составляет 1, для нержавеющей стали — 0,85, алюминия и латуни — 0,4, меди — 0,3. Таким образом, новый диапазон срабатывания для меди будет 0,3S_n, или всего 3 мм вместо 10 мм для ИД с номинальным диапазоном 10 мм.

Размеры объекта влияют на диапазон срабатывания следующим образом:

• если площадь объекта меньше площади эталона, диапазон уменьшается (магнитный поток пересекает меньшую площадь, и резкого падения амплитуды не происходит);
• если площадь объекта больше площади эталона, диапазон не меняется;
• если объект толще эталона, то в зависимости от магнитной проницаемости материала объекта диапазон остаётся прежним (низкая проницаемость) либо уменьшается (высокая проницаемость);
• для более тонких по сравнению с эталоном объектов (например фольги из неферромагнитного материала) диапазон, наоборот, увеличивается.

Особый интерес для пользователей представляют электрические параметры датчиков; кратко охарактеризуем основные из них.

• Минимальное и максимальное значения номинального напряжения питания. Для ИД с питанием от источника постоянного тока приняты стандартные диапазоны питающего напряжения: 10. 30, 10. 60 и 5. 60 В. Датчики с питанием от сети переменного тока используют питающее напряжение 98. 253 В (частота 48. 62 Гц). Датчики с универсальным питанием имеют номиналы питающего напряжения 10. 30 В постоянного тока либо 24. 240 В переменного тока.
• Номинальный ток нагрузки. Это допустимый («не более») продолжительный ток нагрузки. Имеет типовое значение 200 мА, однако есть ИД со значениями этого параметра 100 или 500 мА.
• Ток в «закрытом» состоянии. Это ток, протекающий через нагрузку при выключенном состоянии датчика.
• Ток при отсутствии нагрузки. Характеризует собственный потребляемый датчиком ток при отключённой нагрузке.
• Максимальный кратковременный ток. Это кратковременный «безопасный» ток датчика во включённом состоянии.
• Падение напряжения. Измеряется между выводами включённого датчика до точек подключения нагрузки. Имеет типовое значение менее 3 В.
• Частота переключений. Соответствует максимальной частоте изменения состояния выхода, выраженной в герцах. Метод измерения установлен стандартом EN 60947-5-2. Типовые значения для ИД составляют 50, 100, 500, 1000. 5000 Гц. Выше 5 кГц частоту переключений не поднимают из практических соображений: время пребывания датчика во включённом состоянии становится намного меньше типового времени выполнения цикла программы ПЛК (опрос состояния датчика производится в начале текущего цикла, а о его изменении можно судить только в следующем цикле).
• Время задержки включения (t_ν). Это время от подачи питания до момента, когда датчик начинает детектировать объекты. С целью исключения ложных срабатываний у большинства датчиков на этот промежуток времени выход блокируется. Максимальная величина времени задержки включения составляет 300 мс.

Большинство датчиков фирмы Pepperl+Fuchs имеют степень защиты IP67/68, есть модели с повышенной степенью защиты IP69К. Стандартный диапазон рабочих температур составляет –25…+70°С, ИД устойчивы к ударам до 30g (11 мс) и вибрациям с частотой 10…55 Гц (амплитуда 1 мм).

Способы подключения

Практически любой ИД фирмы Pepperl+Fuchs можно заказать с 2-, 3-, 4-проводной схемой подключения (в том числе с NAMUR и AS-интерфейсом), c питанием универсальным либо от источника постоянного или переменного тока. Датчики некоторых моделей имеют два выхода (могут быть разные сочетания выходов одного и различных типов, например, комбинация нормально открытого и нормально закрытого, или независимые выходы двух ИД, размещённых в одном корпусе, например, сдвоенные датчики для позиционеров клапанов серий F25 и F31 с выходами типа NAMUR). Новые прямоугольные ИД серий F72 и FXS7 имеют даже три датчика в одном корпусе и, соответственно, три независимых выхода. Все ИД имеют, по крайней мере, один, а в большинстве случаев два вида защиты: от неправильной полярности питания (использование встроенного диода либо диодного моста позволяет создать так называемый толерантный к полярности датчик) и от короткого замыкания (при превышении допустимого значения тока выход периодически закрывается-открывается с соотношением времени обоих состояний Т_откр./T_закр.=1/100).

Датчики можно соединять последовательно или параллельно для реализации булевых функций И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. При этом, однако, необходимо учитывать падение напряжения на ИД, которое может привести к низкому напряжению в нагрузке при последовательном соединении датчиков, время срабатывания, увеличенное из-за задержки включения каждого датчика, и достаточно большой ток в «закрытом» состоянии при параллельном соединении (схема ИЛИ) двухпроводных датчиков, способный вызвать ложное включение нагрузки (например реле).

Физически подключение датчика можно выполнить с помощью кабеля, поставляемого с ИД, клеммного соединителя (на прямоугольных датчиках с отсеком для клемм) либо соединителей типа V1, V3, V16 и др. (рис. 2). Недавно фирма Pepperl+Fuchs представила новый быстросъёмный разъём QUICK-ON, использующий метод создания контакта путём смещения изоляции. Операция подключения сводится к предварительной насадке гайки и уплотнителя на кабель (жгут), фиксации отдельных проводов кабеля в отверстиях муфты и свинчиванию гайки с ответной частью разъёма, ножевые контакты которой по мере затягивания резьбы и проталкивания муфты навстречу им прорезают изоляцию проводов, образуя надёжное электрическое соединение с оголённым участком провода. Всю эту несложную операцию можно проделать менее чем за 10 с. Недостатком такого метода является относительно невысокая механическая прочность соединения.

Датчики обычные, встраиваемые и с расширенным диапазоном срабатывания

По способу установки различают встраиваемые (монтируемые заподлицо) и обычные (невстраиваемые, то есть не монтируемые заподлицо) датчики, и на это следует обращать внимание при выборе ИД. В обычных датчиках катушки окружены сердечником (рис. 1) для создания направленного поля. Тем не менее, часть этого поля распространяется в стороны, что может привести к влиянию на него сторонних объектов и ложному срабатыванию датчика. Для устранения этого эффекта необходимо при установке датчика резервировать вокруг него некоторое пространство, а также соблюдать определённое расстояние между датчиками для исключения их взаимовлияния, как это показано на рис. 3.

Условные обозначения: d — внешний диаметр датчика; А — высота установки обычного датчика над поверхностью; В — ширина ниши для установки обычного датчика; С — расстояние до стороннего объекта; F — расстояние между датчиками.

Преимуществами встраиваемых датчиков являются высокая степень механической защиты и бо́льшая устойчивость результатов обнаружения. Ослабление электромагнитного поля по неосновным направлениям в стороны достигается специальным экранированием, что, однако, приводит к уменьшению диапазона срабатывания до 0,6S_n, где S_n — номинальный диапазон срабатывания обычного датчика. Датчики любого исполнения за исключением кольцевых и щелевых выпускаются в обычном и встраиваемом варианте. Обычные ИД обозначаются как NхN (iNductive, х — специальный идентификатор, Non-embeddable), а встраиваемые — NхB (iNductive, emBeddable).

Также в номенклатуре фирмы Pepperl+Fuchs представлены ИД с расширенным диапазоном срабатывания серии NE… (iNductive Extended). Такие ИД особенно эффективны при использовании в условиях ограниченного пространства вместо обычных датчиков, при обнаружении небольших объектов, которые выполнены из материала, обладающего высоким коэффициентом редукции, при отсутствии возможности подстраивать положение датчика (например, в непрерывно работающем механизме), при работе в составе оборудования с относительно большими геометрическими допусками (конвейеры, линии прокатного производства и т.п.), при необходимости использовать защитную крышку между объектом и датчиком (оборудование для пищевой промышленности, контейнеры с агрессивными жидкостями, упаковочные линии для изделий из хрупкого материала и т.д.).

В датчиках серий NE… для увеличения диапазона срабатывания использован специальный схемотехнический прием: ослабляется ток в контуре внутри самого датчика, из-за чего ток в обмотке уменьшается, приближаясь к точке срабатывания, и даже незначительное искажение поля датчика объектом, находящимся на большом расстоянии, вызывает срабатывание. Схема, реализующая такое решение, позволяет в широком диапазоне изменения рабочих температур увеличивать размеры активной зоны датчика. Недостатком этих датчиков является возможное вследствие воздействия внешних факторов (наличие проводящей пыли, влияние других магнитных полей, значительные перепады температуры и т.п.) дальнейшее уменьшение тока в контуре до полной остановки резонатора.

Требования к установке ИД с расширенным диапазоном срабатывания немного более строгие, чем для обычных датчиков: допустимое расстояние между датчиками (F) в 3-5 раз (в зависимости от того, встраиваемый датчик или нет) больше S_n (табл. 2).

Минимально допустимые значения расстояния до стороннего объекта (С) и ширина ниши для установки датчика (В) такие же, как у обычных датчиков (3S_n и 3d соответственно, рис. 3). Для серии NEN (невстраиваемые датчики с расширенным диапазоном срабатывания) требования к расстоянию A (высота установки над поверхностью) также стандартные (2S_n). А вот для серии NEB (встраиваемые датчики с расширенным диапазоном срабатывания) величина A может быть выбрана равной 0 только для непроводящих материалов, а для ферромагнитных и неферромагнитных материалов она должна быть соответственно не менее 0,2d и 0,1d; поскольку такие датчики в большинстве случаев нельзя монтировать абсолютно вровень с поверхностью установки, их иногда называют еще и полувстраиваемыми (или квазивстраиваемыми).

Для случаев, когда соблюдение требований к минимальному расстоянию между датчиками F_min в силу специфики проекта невозможно, фирма Pepperl+Fuchs готова поставить партию ИД с разнесёнными частотами резонаторов, которые можно устанавливать вплотную.

Датчики серий NE… выпускаются только в цилиндрических корпусах.

В описаниях продукции иногда к ИД с расширенным диапазоном относят и некоторые датчики с маркировками NBB и NBN, диапазон срабатывания которых был расширен за счет совершенствования технологии производства ИД базовых серий, применения прецизионных компонентов и т.д. Для отличия их называют ИД с увеличенным (elevated) диапазоном срабатывания.

В табл. 3 для сравнения приведены диапазоны срабатывания типовых встраиваемых ИД и различных датчиков с расширенным диапазоном S_n.

Варианты конструктивного исполнения

По своему конструктивному исполнению ИД разделяются на цилиндрические, щелевые (слотовые), кольцевые и датчики в прямоугольных корпусах. Кроме этого, выпускается ряд датчиков специального назначения, таких как ИД для позиционеров клапанов, ИД с раздельным резонатором и электронной частью (для работы при высокой температуре) и др., имеющих свои конструктивные особенности.

Самыми распространенными являются цилиндрические датчики (рис. 4). Их чувствительная поверхность находится на конце датчика перпендикулярно его оси. Диаметр варьируется от 3 мм (гладкий корпус, без резьбы) или 4 мм (корпус с резьбой) до 30 или 40 мм соответственно. Материалы корпуса — высокопрочная нержавеющая сталь с латунным, никелевым или тефлоновым покрытием и специальные полимерные составы: Сrastin® — упрочненный стекловолокном полибутилентерефталат (PBT), который устойчив к истиранию, высоким и низким температурам, кислотам, различным органическим соединениям, морской воде и т.д., а также хорошо сохраняет геометрическую форму, и Ryton® — полифенилсульфид (PPS), который устойчив к высоким температурам до 200°С. Электроника внутри датчика герметизируется эпоксидной резиной.

ИД в прямоугольных корпусах представлены в номенклатуре фирмы Pepperl+Fuchs тремя группами: датчиками в корпусах типа VariKont, серией FP для монтажа на поверхность и миниатюрными прямоугольными датчиками для установки «под винт». Корпус VariKont (рис. 5) имеет жёсткое основание (PBT или металл), монтируемое на монтажную плоскость и содержащее клеммы для подключения. Верхняя часть (PBT) содержит электронику, герметично изолированную неопреном от основания, и имеет разъём с ключом. Установочные отверстия соответствуют стандарту EN 60947. Главной особенностью этих датчиков является возможность ориентации чувствительной рабочей поверхности в различных направлениях, что упрощает установку и обеспечивает гибкость применения датчика. В корпусах VariKont также выпускаются датчики ёмкостные, ультразвуковые, фотоэлектрические, что упрощает замену типа датчика при изменении условий применения. В табл. 4 показаны характерные особенности разных моделей корпусов типа VariKont.

Модели VariKont M и VariKont L поставляются с соединителями V1 и QUICK-ON. Новые датчики в корпусах VariKont L не имеют отсека для клемм и поэтому более компактны; кроме этого, чувствительная поверхность регулируется у них в двух плоскостях.

ИД серии FP (рис. 6) были специально разработаны для напольной установки на конвейерах. Конструкция датчика этой серии позволяет плотно врезать его в металлический пол, достигая высокой степени механической защиты датчика, а также обеспечивая защиту персонала при перемещениях от выступающих частей корпуса ИД. Благодаря относительно большим размерам рабочей поверхности (80×80 мм) ИД сери FP имеют большой диапазон срабатывания — до 50 мм. Материалы и многие элементы дизайна корпуса аналогичны используемым в датчиках VariKont. Стандартное основание датчиков VariKont и FP можно заменить, например, на металлическое или на основание с другим типом подключения (гермоввод, разъём и др.).

Миниатюрные ИД в прямоугольных корпусах (рис. 7) устанавливаются на монтажную плоскость с помощью винтов. Выпускаются модели с разными вариантами расположения чувствительной поверхности (на торцевой или разных боковых гранях корпуса). Допускается возможность окружать эти ИД (даже невстраиваемые модели) с нерабочих сторон металлом. Размеры миниатюрных датчиков составляют от 12×26×40 мм (В×Ш×Г) до 30×50×7 мм.

В кольцевых датчиках (рис. 8) электромагнитное поле сконцентрировано внутри кольца, и срабатывание происходит при попадании объекта из любого металла внутрь кольца, то есть коэффициент редукции r=1. Выпускаются модели с внутренним диаметром 10, 15, 21 и 43 мм. Также выпускаются кольцевые ИД (серия RC) для определения направления перемещения объекта со скоростью до 10 м/с.

В щелевых датчиках (рис. 9) катушки расположены друг напротив друга на разных сторонах U-образного корпуса. Датчик срабатывает при попадании объекта в пространство между катушками. У этого датчика также r=1, но степень перекрытия зазора объектом, необходимая для срабатывания датчика, варьируется в зависимости от материала. Выпускаются модели с шириной зазора от 2 до 30 мм.

Датчики специального назначения

ИД с выходом типа NAMUR

Эти ИД имеют постоянную характеристику выходного тока (рис. 10). По выходному сигналу датчика можно, кроме определения включённого (ток менее 1,2 мА) или выключенного (ток более 2,1 мА) состояния, фиксировать также обрыв линии или короткое замыкание в ней. Область характеристики, соответствующая интервалу выходного тока от 1,2 до 2,1 мА, называется зоной переключения датчика. Значение выходного тока включённого датчика лежит в интервале от 1 до 1,2 мА, а выключенного датчика — от 2,1 до 3 мА (для некоторых моделей до 2,2 мА). Значения тока и напряжения настолько малы, что датчик NAMUR можно использовать в потенциально взрывоопасной зоне (вид защиты «искробезопасная цепь»). ИД этого типа можно идентифицировать по букве N в конце обозначения модели. Ограничение подводимой мощности реализуется за счет связанного оборудования — барьера искрозащиты (специального переключающего усилителя). Соответствие электрических характеристик датчика и барьера искрозащиты удостоверяется тестом на искробезопасность. При этом индуктивность и ёмкость кабеля тоже принимаются во внимание [2].

Недавно в номенклатуре фирмы Pepperl+Fuchs появились ИД с дискретным выходом NAMUR, у которых сохранены стандартные для этого типа датчиков значения тока и напряжения. На рис. 11 приведена характеристика одного из таких датчиков NCB2-12GM35-N0 с нормально закрытым выходом (существующие модели с нормально открытым выходом имеют в своём обозначении литеры N1).

ИД повышенной безопасности

Эти ИД в основном соответствуют NAMUR-аналогам, но имеют одно отличие: в случае возникновения неисправности в датчике, управляющем интерфейсе (вторичном приборе) или соединительном кабеле выход вторичного прибора всегда переходит в состояние «Выключено». Компоненты, используемые в этих датчиках, обычно более высокого качества и имеют более широкий диапазон рабочих температур. Вся система, включающая такой ИД и управляющую электронику, сертифицируется центром TU..V в соответствии со стандартом DIN VDE 0660 (Часть 209). Варианты конструктивного исполнения: щелевые, цилиндрические и прямоугольные (встраиваемые и обычные). Признак повышенной безопасности датчика отражают символы SN или S1N в конце кода модели. Иногда в технических описаниях ИД с нормально открытым выходом есть примечание «Только для неферромагнитных материалов», которое означает, что данные датчики работают только с такими материалами, как алюминий, латунь и т.п. Датчики повышенной безопасности и соответствующее оборудование являются искробезопасными, но при этом по ряду признаков отличаются от датчиков с выходом типа NAMUR.

ИД для применения во взрывоопасных средах

В номенклатуре фирмы Pepperl+Fuchs также присутствуют ИД, которые имеют различные национальные сертификаты по взрывобезопасности. В их обозначении присутствует суффикс «G/EX». Например, датчик NJ2-18-N-G/EX-Z0 имеет сертификат PTB № 84/2015, разрешение на использование в зоне 0 (комбинированный вид защиты, искробезопасность «i» и специальный вид герметизации «m»). Некоторые ИД с выходом NAMUR имеют сертификат PTB на применение в зоне 10 (зона 20 по новой классификации). В связи с введением в действие новых европейских директив по взрывобезопасности ATEX 137 и ATEX 95 фирма Pepperl+Fuchs с 1 июня 2003 года будет поставлять ИД, сертифицированные только по ATEX.

ИД со степенью защиты IP69K

Обеспечиваемая собственной конструкцией герметичность типового датчика в определенных применениях может оказаться недостаточной. Например, при установке ИД на мойке для транспортных средств струи воды попадают на него под высоким давлением и вода может просачиваться между стенками корпуса датчика и герметизирующим компаундом. Процессу просачивания воды способствуют капиллярный эффект, колебания температуры и явление «ползучести» пластиков и герметика.

Фирма Pepperl+Fuchs предприняла меры по устранению влияния данных факторов и обеспечению безопасной эксплуатации индуктивных датчиков посредством

• более тесной подгонки пластиковых крышек к металлическим корпусам датчиков,
• плазменной очистки всех покрываемых герметиком поверхностей,
• предварительной герметизации катушки до установки её в датчик,
• дополнительного уплотнения отверстия для вывода сигнального кабеля и окошка светодиода,
• заливки пористым герметиком внутренней полости датчика для устранения всех оставшихся пустот.

Это дало возможность получить ИД с показателями степени защиты, намного превосходящими требования уровня IP67/IP68. Поэтому возникла необходимость выбора новых методик испытаний. Фирмой Pepperl+Fuchs был взят за основу стандарт автомобильной промышленности DIN 40050 (Часть 9). Этот документ дополняет стандарт EN/IEC 60529 и определяет новую категорию X9K (испытание многочисленными струями воды с различных расстояний и под разными углами при температуре воды 80°С и давлении около 100 атм). В основном из соображений преемственности степень защиты датчиков, способных выдержать такие испытания, обозначается IP69К. Внешний вид датчика со степенью защиты IP69K показан на рис. 12.

ИД для работы в условиях высокого давления

Одним из применений такого датчика может быть определение положения штока в гидравлическом цилиндре. Его чувствительная поверхность выдерживает динамические удары давления до 350 бар (пока готовилась эта статья, фирма Pepperl+Fuchs анонсировала датчик для давления до 500 бар).

Такая прочность достигается применением керамической торцевой части, установленной в корпусе из нержавеющей стали. На корпусе датчика есть паз с уплотнительным кольцом (рис. 13). Диапазон рабочих температур составляет –25…+85°С или –35…+70°С. В обозначении моделей таких датчиков последнюю позицию занимает литера D, например NJ1.5-18GM-E2-D.

ИД для контроля скорости

Это индуктивные ИД, в которых выходной сигнал указывает как на сам факт срабатывания, так и на увеличение или уменьшение частоты этого срабатывания относительно заданной опорной частоты, которая устанавливается с помощью встроенного потенциометра. Если измеренная частота меньше заданной, выход датчика «выключается», если выше, то соответственно «включается». Данный режим работы имеет то преимущество, что позволяет минимизировать время реакции системы управления, использующей датчик. Такие ИД выпускаются для следующих диапазонов частот (скоростей): 0,1…1 Гц (6…60 об./мин), 1…10 Гц (60…600 об./мин), 10…100 Гц (600…6000 об./мин). Эти датчики оснащены блокировкой выходной функции при включении, то есть после подачи питающего напряжения выход кратковременно переходит в состояние «включено». Тип корпуса — только VariKont. Питание как от постоянного напряжения 15…60 В, так и от переменного 90…253 В.

ИД для применения в сильных электромагнитных полях

Когда ИД применяются вблизи сварочного оборудования, например для контроля положения заготовки перед операцией сварки, они подвергаются не только термическим и механическим воздействиям (например, при попадании сварочных искр и брызг расплава на корпус датчика), но и воздействию сильных электромагнитных полей. Силовые линии магнитного поля могут пересекать сердечник катушки датчика, вызывая значительное ослабление её добротности и индуцируя напряжение во внутренних цепях датчика, что способно вызвать ложные срабатывания ИД. Для устранения этого эффекта в датчиках применяются дополнительные компенсирующие обмотки, а также сердечники, изготовленные из спекаемого железного порошка, которые обеспечивают более высокое значение плотности магнитного потока, необходимого для насыщения, чем обычные ферритовые сердечники. Кроме того, используется дополнительное экранирование электроники. Снаружи такие ИД покрываются тефлоносодержащим составом (рис. 14), что препятствует налипанию горячих искр и частиц на корпус датчика.

В их спецификациях указывается допустимое значение магнитной индукции магнитного поля, например 200 мТл, и чтобы оценить возможность применения определённого датчика в конкретных условиях, следует сравнить это значение со значением магнитной индукции (В, мТл) вблизи токонесущего проводника, вычисленным по формуле: B=0,2×I/h, где I — ток через проводник, А; h — расстояние от центра проводника, мм. Распределение поля меняется в зависимости от типа и формы электродов, а также наличия по соседству других металлоконструкций, что данной формулой, естественно, не учитывается.

Устойчивые к воздействию сильных электромагнитных полей и пригодные для размещения в непосредственной близости от зоны сварки модели ИД имеют литеру С в конце обозначения, например NJ40-U1+E2-C. Варианты конструктивного исполнения: цилиндрический (диапазон срабатывания от 2 до 15 мм), миниатюрный прямоугольный, VariKont и VariKont L (рис. 15).

Другой интересной подгруппой в серии датчиков, устойчивых к электромагнитным полям и факторам сварки, являются ИД с компенсацией эффекта редукции, или с r=1. Они специально разработаны для применений, где требуется определять наличие разных металлов на одном и том же расстоянии от датчика. Конечно, можно было бы воспользоваться для этих целей и датчиками с расширенным диапазоном срабатывания, но только для немагнитных материалов. Поскольку эти ИД часто используются в автомобильной промышленности, то их изготавливают, как правило, в исполнении, устойчивом к факторам сварки. Но есть и исключения, например NRB20-L1-E2-V1 в корпуce VariKont L. Литеры NR в начале обозначения модели соответствуют датчику с компенсацией эффекта редукции.

Селективные датчики

Селективные ИД позволяют разделять объекты из ферромагнитных и неферромагнитных металлов. Величина коэффициента редукции у одних селективных датчиков равна 1 для таких металлов, как алюминий, медь и т.п., и 0 для железа, ферромарганца и т.п., а у других, реагирующих только на ферромагнитные материалы, — наоборот. Таким образом, их выход устанавливается в 1 только для одного определённого типа материала. Особое место занимает датчик NJ15-U1-2E2-NE/FE, который имеет два независимых выхода, каждый для своего типа материала; другой особенностью данной модели является наличие светодиодной индикации, которая также сделана селективной.

Диапазоны срабатывания селективных датчиков составляют от 2 до 40 мм, варианты конструктивного исполнения корпуса — VariKont, прямоугольный FP, цилиндрический.

Селективные ИД с металлической чувствительной поверхностью (серия NMB) устойчивы к механическим воздействиям, истиранию и агрессивным средам. У них один выход с r=1 (0,8) и только для одного типа металла: либо ферромагнитного (модель c литерами FE), либо неферромагнитного (модель c литерами NFE). Такие датчики имеют цилиндрический корпус и допускают врезку в детали из мягких (низкоуглеродистых) сталей (рис. 16).

В табл. 5 показаны возможные исполнения селективных датчиков.

ИД со встроенным механическим стопором

Эти датчики из номенклатуры фирмы Pepperl+Fuchs относятся к типу упрочнённых ИД и предназначены для применения, главным образом, в составе подвижных механизмов. При подобном применении простого датчика рядом с ним должен устанавливаться отдельный механический стопор (ограничитель в виде винта, втулки и т.п.), обеспечивающий защиту ИД от возможных повреждений. Это влечёт за собой необходимость дополнительной операции подстройки положения не только датчика, но и стопора. В случае же использования ИД со встроенным механическим стопором такой необходимости не существует: датчик готов к работе сразу после установки и юстировки, за счёт чего существенно снижается трудоёмкость монтажа.

Датчик NJ0.2-10GM-N (рис. 17) специально разработан для жёстких условий эксплуатации в составе промышленных роботов, манипуляторов и другого подобного оборудования. Его цилиндрический корпус с внешней резьбой сам является прочным стопором, защищающим расположенный внутри него ИД как от осевых (аксиальных), так и от боковых ударов. Тип выхода NAMUR, r=0,85 (Сталь V2A)/ 0,4 (Al)/0,3 (Cu), осевая (аксиальная) нагрузка до 1200 Н.

Еще одно исполнение упрочнённых датчиков представлено на рис. 18. Этот датчик (NJ1.5-F2-E2) состоит из двух частей: обычного ИД в прямоугольном корпусе и вкручиваемого в него механического стопора с встроенным кулачковым элементом (подвижным штоком) — и предназначен для применений, где требуется простая установка механического конечного выключателя (стопора) с электронным подтверждением срабатывания. Стопор выполнен из высокопрочной стали, а точная подгонка по месту осуществляется благодаря нанесённой на него резьбе с мелким шагом. На рис. 19 показаны внешний вид и варианты комплектации датчика различными винтовыми стопорами, выдерживающими усилие до 20500 Н.

Аналоговые ИД

Аналоговые ИД преобразуют расстояние до металлического объекта в пропорциональный ему выходной токовый сигнал 0…20 мА, что делает эти датчики особенно удобными для применения в системах измерения и управления. Выходная характеристика, приводимая в техническом описании датчика, соответствует эталонному объекту (Сталь 37), поскольку в этом случае достигается самый широкий диапазон срабатывания.

Размеры линейного участка диапазона срабатывания для эталонного объекта, а также ряд других важных характеристик аналоговых датчиков фирмы Pepperl+Fuchs отражает табл. 6.

Как и в случае применения дискретных ИД, для металлов с меньшей магнитной проницаемостью и большей электрической проводимостью диапазоны срабатывания аналоговых датчиков сужаются. На рис. 20 в качестве примера представлены выходные характеристики встраиваемого аналогового ИД в цилиндрическом корпусе для разных металлов.

Общие параметры аналоговых датчиков: напряжение питания 10-30 В,

3-проводная схема подключения (постоянный ток), ток при отсутствии нагрузки до 8 мА, время восстановления 1…10 мс (типовое значение 5 мс), допуск на точность установки нуля ±5% от полной шкалы, диапазон рабочих температур от –10 до +70°С, степень защиты до IP67.

ИД с расширенным диапазоном рабочих температур

Эти датчики предназначены для использования в случаях, когда возможны температуры, выходящие за пределы традиционного для простых ИД фирмы Pepperl+Fuchs диапазона рабочих температур –25. +70°С. В номенклатуре фирмы представлены четыре варианта исполнения таких датчиков (табл. 7).

Материал PBT, применяемый в простых датчиках, подходит и для изготовления ИД с диапазоном рабочих температур до 100°С (первая группа в табл. 7). Для датчиков второй группы (–40…+150°С) фирма Pepperl+Fuchs использует материал Ryton® (PPS), детали из которого сохраняют свою геометрическую форму при температуре 200°С и даже выше. В ИД для более высоких температур усилитель и чувствительный элемент (катушка с сердечником и резонатор) конструктивно разнесены, так как электронные компоненты при температуре свыше 150°С разрушаются, а этого можно избежать, только разместив усилитель на удалении от чувствительной части датчика в более комфортных условиях. У датчика NJ4-30GM-N-200 (третья группа, 0. +200°С) чувствительный элемент с торцевой частью, выполненной из PPS, помещён в цилиндрический стальной корпус и соединяется термостойким кабелем с усилителем, имеющим обычный диапазон рабочих температур (–25. +70°С). У датчика NCN25-F35-A2-250-V1 (четвёртая группа, 0…+250°С) чувствительный элемент заключён в оболочку из нержавеющей стали, а его торцевая поверхность выполнена в виде диска из политетрафторэтилена (PTFE). Из этого же материала сделана изолирующая оболочка кабеля, соединяющего усилитель и чувствительный элемент данного датчика (рис. 21).

В маркировке ИД с расширенным диапазоном температур присутствует литера T, например NJ10-30GK-E2-T, или цифра, указывающая максимум допустимой рабочей температуры, как, например, в обозначениях датчиков с разнесённой конструкцией.

ИД для позиционеров клапанов

Задвижки для регулирования расхода компонентов используются практически в любой отрасли промышленности. В большинстве случаев они приводятся в движение валом, поворачивающимся на 90 градусов, а сигнал о достижении конечного положения вала поступает в систему управления. Для этих целей обычно используются унифицированные в соответствии со стандартом VDI/VDE3845 корпуса, в которые устанавливают ИД обратной связи. Эти корпуса обладают высокой степенью защиты, имеют встроенные клеммы для датчика и цепей управления задвижкой, соответствуют стандартным установочным размерам.

В настоящее время в мире всё более широко используются так называемые открытые решения. Применительно к ИД обратной связи это значит, что датчики теперь монтируются не в корпуса, а непосредственно на привод задвижки или клапана (открытый монтаж). Данная технология обладает следующими преимуществами: быстрая установка, лёгкая замена благодаря цельной конструкции и компактность. Фирма Pepperl+Fuchs предлагает широкую номенклатуру ИД для позиционеров клапанов (рис. 22).

ИД для позиционеров клапанов на основе стандартных датчиков

Это специально модифицированные для управления задвижками цилиндрические и щелевые ИД (устанавливаются в корпуса). У них изменены геометрия корпуса и положение индикатора, длина и диаметр выходного кабеля (табл. 8).

Пример монтажа таких цилиндрических ИД показан на рис. 23. Датчики щелевого типа фиксируют поворот вала по положению вырезанного сегмента («окна») на металлическом диске, вращающемся вместе с валом.

Интегрированные сдвоенные ИД

Эта группа представлена ИД со стандартными установочными (расположение отверстий в соответствии с VDI/VDE 3845) и габаритными размерами серий NCN3-F25- и NBN3-F25 (их обобщённо называют «серия F25»), которые могут быть смонтированы на стандартизованном приводе исполнительного механизма либо размещены в унифицированном корпусе (рис. 24).

Модели NCN3-F25-N4-K и NBN3-F25-E8-K имеют пружинные клеммы для непосредственного подключения кабеля управления, поэтому они выпускаются не только в традиционном исполнении, но и смонтированными на печатной плате (рис. 25).

Главными преимуществами такого решения являются следующие:

• в корпусе не нужно предусматривать дополнительные электромеханические элементы;
• плата может быть подключена непосредственно к управляющему кабелю без дополнительного клеммного соединителя;
• модульные съёмные соединители еще больше упрощают операцию разборки привода.

Вариантом исполнения таких плат являются платы с AS-интерфейсом (PL1-F25-B3-S).

Сдвоенные ИД для непосредственного монтажа на привод

ИД серий NCN3-F31 и NBN3-F31 (их обобщённо называют «серия 31») также соответствуют требованиям стандарта VDI/VDE3845. Форма и размеры датчика и позиционера выбраны таким образом, чтобы максимально упростить их открытый монтаж на приводы различных конструкций. Используя только один тип корпуса датчика и два вида позиционеров, можно реализовать опрос положения приводов всего возможного диапазона стандартных конструктивных вариантов. Отсек в корпусе такого датчика (рис. 26) позволяет подключать два кабеля (системный и управления приводом) одним из следующих способов: через соединитель (V1, V16, V18), клеммный блок или предустановленный многожильный кабель длиной 5 метров — в зависимости от модификации датчика.

Способы подключения: 2-, 3-проводные с питанием постоянным током, выход типа NAMUR, AS-интерфейс, с возможностью подключения кабеля управления и без него.

Датчики с AS-интерфейсом

На настоящий момент в соответствии с новой спецификацией AS-i версии 2.1 фирмой Pepperl+Fuchs выпускаются следующие типы датчиков: цилиндрические М12, M18, M30, в корпусах типа VariKont и VariKont L, в прямоугольных корпусах F, а также датчики для непосредственного монтажа на привод серии F31. Литеры B3 в обозначении модели говорят о наличии AS-интерфейса. Благодаря встроенному «интеллекту» функциональность таких датчиков значительно выше, что упрощает их установку и обслуживание, а также снижает соответствующие затраты.

Обычно на практике ИД устанавливают таким образом, что детектируемый объект находится на расстоянии 0,5S_n от датчика, гарантированно попадая в диапазон S_a (рис. 27). Это формально корректный способ, но он приводит к нерациональному использованию возможностей датчика. На основе средств AS-интерфейса можно провести более безопасное и эффективное позиционирование ИД и контролировать его состояние. Бит D1 поля данных AS-пакета устанавливается в 0 каждый раз, когда объект попадает в зону между 0,8S_n (S_a) и 1,2S_n (верхняя граница полезного диапазона срабатывания S_u). В случае нахождения объекта на участке до верхней границы диапазона Sn бит D0 имеет значение «1»; этот бит характеризует состояние выхода датчика («Срабатывание», или «Включён/Выключен»), которое отражается встроенным жёлтым индикатором. Некоторые модели ИД имеют расширенную светодиодную индикацию, использующую и жёлтый индикатор состояния выхода, и дополнительный красный индикатор предаварийного состояния (бит D1). Анализируя состояние комбинации битов D1 и D0 по выходному сигналу датчика или по показаниям встроенных индикаторов, можно расположить объект и датчик не на расстоянии 0,5S_n друг от друга, а на максимальном рабочем расстоянии до 0,8S_n (D1D0=11), обеспечивая тем самым более надёжную защиту ИД от возможного механического повреждения.

В некоторых моделях ИД задействованы и другие биты AS-пакета: бит D2 может сигнализировать об остановке резонатора, а бит D3 — о нахождении объекта на расстоянии от датчика, меньшем, чем 0,1S_n.

Еще одной интересной возможностью ИД с AS-интерфейсом версии 2.1 является функция «подхвата», или удлинения выходного импульса. По новой спецификации версии 2.1 время цикла опроса для A/B-slave составляет 10 мс (5 мс для версии 2.0), и при быстром прохождении объекта через активную зону датчика существует вероятность потери сигнала (импульс D0 может оказаться короче цикла опроса). Поэтому в новых датчиках предусмотрен реализованный средствами AS-интерфейса версии 2.1 режим «залипания», удерживающий сигнал D0 ещё в течение 15 мс после срабатывания датчика.

Аксессуары и принадлежности

Для удобства и простоты установки датчиков фирма Pepperl+Fuchs предлагает широкий набор монтажных аксессуаров, тестеров и кабельных соединителей.

Монтажные аксессуары позволяют сделать процесс установки и юстировки датчика более простым и удобным, а следовательно, повысить качество монтажа и снизить его трудоёмкость. Они включают в себя фланцы для удобной подстройки диапазона срабатывания цилиндрических ИД, фланцы с фиксатором для быстрой замены датчика без юстировки, комплект для монтажа датчиков с корпусом типа VariKont, применение которого упрощает настройку диапазона срабатывания и обеспечивает надёжное крепление ИД на стандартном DIN-профиле (рис. 28).

Тестеры являются удобными приборами для проверки ИД после установки. Кнопочные клеммы позволяют быстро подключиться к датчику, встроенные светодиоды и звуковая сигнализация указывают на срабатывание ИД и наличие питающего напряжения. Выпускается модель для использования во взрывоопасных помещениях (проверка датчиков с выходом типа NAMUR).

Для всех ИД с соединителями поставляются различные ответные части: с кабелем и без него, со встроенным индикатором, угловые и др. Для защиты кабелей предлагаются соответствующие гибкие гофрированные трубки.

Заключение

Как уже отмечалось в начале статьи, ИД являются самыми надёжными из бесконтактных датчиков. При выборе типа датчика, даже если детектируемый объект не металлический, всё равно нужно попытаться применить ИД, используя хотя бы косвенные признаки обнаружения. И только если это не даёт требуемого эффекта, имеет смысл рассматривать иные варианты, связанные с применением ёмкостных, фотоэлектрических и других датчиков.

Широкое и разнообразное применение индуктивных датчиков в различных отраслях промышленности иллюстрируют рис. 29-32.

На рис. 29 показано применение ИД щелевого типа для контроля натяжения нити: сила натяжения только заданной величины способна удержать в неизменном положении флажок, находящийся в активной зоне датчика. Интересным применением ИД кольцевого типа является определение вязкости масла или краски: датчики нанизываются на трубопровод (рис. 30) и по скорости прохождения краски между ними определяется кинематическая вязкость. Сферой массового использования таких датчиков являются системы подсчета или контроля деталей, падающих после резки, вырубки, штамповки и т.п.

ИД разных типов традиционно широко представлены в конвейерных системах (рис. 31), в устройствах управления задвижками и гидроприводами (рис. 32), в составе оборудования для сортировки и учёта металлических деталей и т.д.

Фирма Pepperl+Fuchs производит ИД и постоянно их совершенствует в соответствии с международными действующими и внедряемыми стандартами. Ежегодно аттестуемый сертификационный центр и испытательные лаборатории фирмы находятся непосредственно на территории основного производства, что позволяет максимально быстро корректировать процесс изготовления датчиков и выпускать надёжные ИД в соответствии с системой качества ISO 9001 и требованиями рынка. Номенклатура изделий хорошо структурирована и предоставляет большой выбор моделей для самых разнообразных применений. Совместное использование ИД и дополнительного оборудования фирмы Pepperl+Fuchs (монтажные принадлежности, концентраторы для датчиков с выходом на полевые шины, средства обеспечения искробезопасности и т.д.) позволяет создавать законченные решения, оптимизированные для конкретных задач систем автоматизации.

Данная статья, конечно, не охватывает всех вопросов, связанных с ИД фирмы Pepperl+Fuchs, в частности, не были подробно рассмотрены схемы включения датчиков, классификатор обозначений моделей и др. Более детальную информацию можно найти на сайте и в каталогах компании. ●

Литература

1. Жданкин В.К. Pepperl + Fuchs = надёжность// Современные технологии автоматизации. – 2001. – № 1.
2. Жданкин В.К. Оценка искробезопасности электрических цепей// Современные технологии автоматизации. – 2000. – № 3.

Автор — сотрудник АО «Системы реального времени-Украина» (RTS-Ukraine)
Телефон: (+380-56) 770-0400
Факс: (+380-56) 232-3228
E-mail: eam@rts-ukraine.com

Датчики и АЦП — для чайников-практиков (3/3) :: аналоговые датчики

Теперь рассмотрим датчики другого, значительно более обширного класса. Их настолько много, аналоговых (и цифровых) датчиков, что датчики событий и счетчики к собственно «датчикам» относят редко.

Итак, перед нами стоит задача — микроконтроллер должен знать температуру в комнате. Вариант «взять градусник и набрать по кнопочкам» по понятным причинам исключается.

Мы поступим так:

1. Прежде всего, мы имеем некоторое воздействие и предмет, на которое оно производится (в нашем случае тепло воздействует на датчик… пусть это будет термометр сопротивления). Единица измерения на этом этапе — физическая величина (допустим, градусы Цельсия — хотя чем хуже Кельвины. ).
2. Под этим воздействием предмет — датчик — меняет свои свойства (в нашем случае меняется его сопротивление). На этом этапе мы имеем зависимость свойства датчика от воздействия (сопротивление от температуры). Кстати, грамотнее в данном случае будет сказать «параметр«, а не «свойство».
3. У разных датчиков, разумеется, разные параметры. Поэтому на следующем этапе их всех приводят к единому «интерфейсу» — к напряжению. Другими словами, теперь мы имеем зависимость напряжения от воздействия (тут бывают исключения — например, емкость может быть измерена микроконтроллером без преобразования в напряжение).
4. Далее необходимо перевести напряжение в цифровой код, который получит микроконтроллер. Этим занимается аналогово-цифровое преобразование (или АЦП или analog to digital conversion — ADC). Доступно для начинающих они описаны тут). В подавляющем большинстве ваших устройств на вход им будет подаваться напряжение в диапазоне 0 — 2.5… 5В, на выходе будет появляться число в виде, доступном микроконтроллеру.
5. Думаете, победа? Ан нет! Вот сказал вам микроконтроллер — «датчик температуры мне выдал 1734». Это сколько же в градусах Цельсия. Поэтому дальше идет процедура преобразования кода в то, что вам надо.

Если все эти этапы осуществляются в одном устройстве, то оно будет называться цифровым датчиком. Они проще для работы, но дороже.

Теперь рассмотрим все эти этапы преобразования отдельно.

Собственно датчик и его параметр

На первом этапе мы имеем воздействие некоторой природы на наш датчик (в нашем случае это будет воздействие температуры на внутренний материал резистора KTY81/110 фирмы NXP). Что там внутри происходит, как и когда — это целиком зависит от конкретного датчика. Тут нет каких-либо общих характеристик. Но всегда есть некоторое изменение какого-либо электрического параметра (в нашем случае — сопротивление). Поэтому можно перечислить общие характеристики для любого датчика:

• Физическая природа и электрический параметр. Это первый вопрос, который возникает при отборе датчиков. В большинстве случаев параметром будут изменение сопротивления, напряжения или емкости (для KTY81 это сопротивление).
• Допустимый диапазон воздействия. Любой прибор всегда требует определенных условий для своей эксплуатации (для KTY81 это работа в диапазоне температур -55… +150оС).
• Характеристика зависимости параметра от физического воздействия. Тут нет общего описания, для каждого типа датчика будет своя характеристика (для KTY81 дается температурный коэффициент, смещение сопротивления в зависимости от длительности использования). Также не забываем, что тело не мгновенно реагирует на физическое воздействие (у KTY81 дается температурная константа для измерения в воздухе, стоячей жидкости и текущей жидкости).
• Собственно зависимость параметра от воздействия. Это таблица или график, который описывает изменение параметра при приложенном воздействии. Эта зависимость может быть линейной (что хорошо), а может и не быть (что хуже).
• Описание корпуса. Датчик имеет корпус — микросхему. Это может быть трехножка, пятиножка, стоножка (да-да, и такое бывает!). Она может быть с торчащими выводами (DIP-корпусы), могут быть ножки в сторону (TQFP-корпусы), а могут быть вообще без торчащих ножек (всевозможные SMD-корпуса или — каково запаять такое пяльником. — BGA). Чтобы поразить свое воображение — посмотрите хотя бы здесь.
  Самая частая ошибка начинающих схемотехников — оставить вопрос выбора корпуса на потом. Это вроде бы мелочь, но потом, при монтаже и пайке готового изделия может вылиться в головняк. Каждая фирма придумывает свою маркировку и название для корпусов, расстояния между ножками и прочее. Бывает, что заказал один корпус и проглядел ничем не примечательную буковку в названии. А потом, в плату уже не впаивается из-за не тех размеров… (вот заказываете вы ATmega32U4 и видите, что есть ATmega32U4-AU и ATmega32U4-MU. Разница есть? Есть — у одной ноги торчат в сторону, у другой под пузо). Эту информацию надо учитывать (за KTY81 можно расслабиться — тут только один вариант корпуса).

Параметр датчика в напряжение

Следующим делом необходимо убедиться в том, что мы будем работать с напряжением, а не с чем-либо другим.

Тут все зависит от параметра. Если параметром является емкость, то разговор будет совсем особым. Если же датчик сразу дает напряжение, то этот шаг уже выполнен самим датчиком. А если (как у KTY81) параметром является сопротивление, то преобразование в напряжение необходимо выполнить.

Нужно учитывать, что любое преобразование вносит погрешность. Эти погрешности бывают самыми разными. На практике я сталкивался с изменением линейности, смещением, «обрезанием» нижней или верхней границы.

Ничего общего тут сказать нельзя. Каждый вид преобразования индивидуален. В нашем примере используется делитель напряжения. Надо учитывать, что резистор, стоящий вверху, также имеет температурный коэффициент (гораздо менее выраженный, чем у терморезистора, но все равно не нулевой). Значит, при нагреве или остывании платы кривая куда-то «поплывет». Все это нужно учитывать при проектировании устройства. Если нас интересует просто комнатная температура (точность — 1оС), то такие мелочи несущественны и могут быть проигнорированы. Но если вы проектируете термометр с погрешностью не более 0.1оС для широкого диапазона температур, то все эти вопросы становятся очень существенными.

Напряжение в код

Наконец-то мы подошли к самому сердцу работы цифрового датчика — аналогово-цифровому преобразованию. Сколько много их есть, АЦП (посмотрите, например, тут — у меня выпал список в 528 позиций)! Они отличаются массой характеристик, они задают основные свойства преобразования. Тут важна схема, разводка платы, окружающая электромагнитная обстановка. Тут все важно! Всего в своей статье я и описать не могу. Да и не надо оно вам поначалу. Вам надо задать основные характеристики — а дальше умный схемотехник за бутылку пива (или купленную ему новую машину — смотря что за задача) нарисует схему и укажет особенности разводки платы.

Тут бы самое то поговорить про особенности процесса АЦПирования, но вы тогда забудете про последний этап, который не менее важен. Поэтому подробно про АЦП будет сказано после, а сейчас — исключительно в двух словах.

Задача АЦП — выдать цифровой код для напряжения в заданном диапазоне, измерение проводится с заданной погрешностью. Ответ будет представлять собой целое число в четко заданном диапазоне. Для нашего случая это может быть измерение напряжения в диапазоне 0… 5 В.

Первый важный момент (его мне напомнили в комментариях): в процессе преобразования АЦП имеет дело с напряжением, которое накопилось на устройстве выборки-хранения — или конденсатор, коммутируемый аналоговым ключом. Это важно помнить, т. к. конденсатор заряжается не моментально из-за своей емкости.

Второй важный момент: АЦП производит преобразование непрерывной величины напряжения в дискретный код. Сейчас разъясню — покажу на примере.

Итак, мы имеем некоторое напряжение x. Мы уверены в том, что оно больше некоторого 0 и меньше некоторого +U. Уверены? Тогда смело подаем на вход АЦП, которое ограничено 0 и +U вольтами.

Есть много всяких разновидностей и вариантов процедуры измерения (вот, например, прекрасная статья про сигма-дельта АЦП), я же возьму самый простой и понятный.

Измерение проводится в несколько шагов. У нас первый шаг — диапазон 0… U. Делим его пополам и сравниваем: x > 1 /₂U или же x < 1 /₂U? В нашем случае x < 1 /₂U. Прекрасно, тогда результат первого шага — знак «меньше», что отмечается первым двоичным числом «0», результат лежит в диапазоне 0… 1 /₂U.

Второй шаг — предыдущий результат «0», диапазон 0… 1 /₂U. Снова делим диапазон пополам и делаем сравнение: x > 1 /₄U или x < 1 /₄U? Оказалось выше, что отмечается двоичным числом «1», которое добавляется к имеющемуся. Результат: «01», 1 /₄U < x < 1 /₂U.

Третий шаг: снова выше середины. Получаем «011», 3 /₈U < x < 1 /₂U.

Четвертый шаг — у нас середина будет 7 /₁₆U, новое сравнение. Потом дальше и дальше…

UPD: меня попросили проверить правильность еще нескольких преобразований. Выложу тут результаты нескольких 16-битных преобразований для желающих поупражняться:

 Диапазон измерений, Напряжение на АЦП, Результирующий код В мВ 5 4 999 1111-1111-1111-0010 5 735 0010-0101-1010-0001 3.3 735 0011-1001-0000-0100 1 735 1011-1100-0010-1000 2.5 0.01 0000-0000-0000-0000 2.5 8 900 дымок над АЦП 

Как мы видим, у нас на каждом шагу есть зона неопределенности, в которой и лежит искомый результат. Каждым новым шагом мы зону неопределенности делим пополам. И так, за заданное количество шагов мы получим результат. Количество шагов называется разрядностью АЦП — первая исключетльно важная характеристика АЦП. Количество разрядов определяют количество битов, необходимых для представления результата. Поэтому, например, АЦП с разрядностью 10 назовут 10-битным АЦП. Как правило, в англоязычной документации так и пишут — «16-bit, sampling analog-to-digital (A/D) converter» (это я про ADS8320).

Каждый шаг занимает время — пусть и микроскопическое в масштабах Вселенной, но тем не менее вполне конечное (а часто недостаточно малое). Количество всех шагов и образует время преобразования — вторая фундаментальная величина (на самом деле оно — время преобразования — зависит еще и от массы других параметров, но они значительно меньше влияют на общее время, чем разрядность).

Вот по этим двум параметрам и еще допустимый диапазон измерений (что является ответом на вопрос «что такое 0 и что такое +U?») производится первичный выбор АЦП из всей кучи имеющихся.

Разрядность и диапазон измерения прямым образом влияют на результирующую погрешность преобразования. Какова погрешность у нашего примера?

Первый шаг дает результат в 1 /₂U (если у нас U = 5В, то точность будет 2.5В). Значит, точность первого шага — 50% от исходного диапазона. Если мы на этом остановимся, то точность у нас будет… хм… скромненькая, прямо скажем, поэтому мы двигаемся дальше.

Второй шаг еще раз делит искомую область пополам. Точность становится 1 /₄U = 25% = 1.25В.

Третий шаг… Давайте, впрочем, изобразим это в таблице:

 Шаг Диапазон Точность 1 2^-1U = 2.5В 50% 2 2^-2U = 1.3В 25% 3 2^-3U = 625мВ 13% 4 2^-4U = 312.5мВ 6% 5 2^-5U = 156.3мВ 3% 6 2^-6U = 78.1мВ 2% 7 2^-17U = 39.1мВ 781*10^-3% 8 2^-8U = 19.5мВ 391*10^-3% 9 2^-9U = 9.8мВ 195*10^-3% 10 2^-10U = 4.9мВ 98*10^-3% 11 2^-11U = 2.4мВ 49*10^-3% 12 2^-12U = 1.2мВ 24*10^-3% 13 2^-13U = 610.3мкВ 12*10^-3% 14 2^-14U = 305.2мкВ 6*10^-3% 15 2^-15U = 152.6мкВ 3*10^-3% 16 2^-16U = 76.3мкВ 2*10^-3% 17 2^-7U = 38.1мкВ 762*10^-6% 18 2^-18U = 19мкВ 381*10^-6% 19 2^-19U = 9.5мкВ 190*10^-6% 20 2^-20U = 4.8мкВ 95*10^-6% 21 2^-21U = 2.4мкВ 48*10^-6% 22 2^-22U = 1.2мкВ 24*10^-6% 23 2^-23U = 0.6мкВ 12*10^-6% 24 2^-24U = 0.3мкВ 6*10^-6% 

Поражают воображения числа внизу таблицы? А именно такие АЦП и используются как правило. В составе микроконтроллеров ATmega, например, используются 10-битные. Предел на сегодняшний день (то, что я встречал) — 24-х битные. И цена их отнюдь не фантастическая, а вполне реальная. UPD: впрочем, на момент написания статьи реальным пределом, при котором получается стабильно точный результат, был 22 бита. А оставшиеся 2 бита — просто для маркетинга. UPD 2: Впрочем, и это не предел! В комментариях подсказывают: есть уже и 31-битные. Вот, загляните в гости к «Техасскому инструментальному заводу» и взгляните на ADS1281. Там, впрочем, хитро написано: в заголовке речь про 24-хбитный преобразователь, в характеристиках про 31 бит. И кто их — техасцев — поймет.

Но! Точность преобразования все равно конечна! И поэтому результат будет таким, каким был на картинке — ступеньками. Ступеньки могут быть сколь угодно малыми (почти сколь угодно. ), но все равно это будет ступенька. Это надо четко понимать. И подбирать параметры исходя из требуемой точности.

Диапазон самого последнего сравнения называют ценой младшего разряда. Этот параметр используется при преобразовании получившегося кода в величину.

Обычно точность измерений при подходе к последним шагам падает. И часто последние разряды будут «шуметь» — вы напряжение не меняете, а код скачет. Поэтому еще говорят об эффективных разрядах — это те разряды, которые свое значение не меняют при неизменном значении на входе. Обычно у 24-х битных АЦП шумят последние 2 — 3 разряда.

Код в величину

Итак, мы имеем наконец-то код, который как-то соответствует исходной величине. Что с ним делать дальше?

Аппроксимация

Вопрос первый — какому все-таки реальному значению соответствует код.
Значит, у нас есть некоторый x — код, и функциональная зависимость y = F(x).

Что собою представляет эта функция F(x)? Если мы ее считаем линейной (для простоты), то ответ будет достаточно простой:

y = F(x) = K*x + B.
Простая линейная функция… И в большинстве случаев ее хватает. Но — опять же — только для линейной зависимости кода (с учетом всех перипетий его получения) от исходной величины. Углубляясь в дебри — можно использовать, если надо, квадратичную и более функцию. Я где-то слышал, что делали тензометр — измеритель веса. Он должен был работать в диапазоне от 0 до 5 тонн. И там с помощью кубической функции аппроксимации добились точности в пару килограмм — и это круто!

Так вот, задача теперь заключается в получении этих самых K и B. Как их узнать? Из математики известно, для получения этих констант достаточно знать два значения код-величина. И тогда получаем решение. Где их взять — эти две пары?

Тут есть 2 взаимодополняющих подхода для получения ответа — теоретический и экспериментальный. На практике один дополняет другой.

Для начала мы заглянули в описание KTY81/110и увидели, что при 20оС значение сопротивления у резистора равно… приблизительно… 961 Ом.… Угу, а еще оно равно минимум 950 Ом и максимум 972… Впрочем, я отвлекся.

Итак, для 20оС сопротивление равно 961 Ом. Дальше у меня был делитель напряжения. Допустим, там это сопротивление превратилось в 3.124В. Какой у нас там шаг? — 1.22мВ на один код (т. е. 12-битное АЦП). Т. е. мы должны взять 3.124В и разделить на этот шаг — получим код 2560. Прекрасно! А 100оС соответствует 1696 Ома — после делителя 4.076В — после АЦП код 3340.

Просчитали — и получили значение.

Но вся беда в том, что это только лишь тео-ория… А на практике завод не может гарантировать такую высокую точность KTY81/110 (о чем в описании честно и сказано). И мы не должны забывать о том, что используем делитель напряжения, где сверху резистор, и он тоже не шибко точный. А источник напряжения-то в делителе — тоже не идеален… Словом, от датчика к датчику будут различия. Что хорошо — величину этого различия можно всегда просчитать и вывести погрешность. Если она устраивает — все ОК, продаем датчик. Если же нет, то необходимо откалибровать данный датчик.

Для этого пары код-значения получают экспериментально.

Я это для измерителя температуры делал так.

Первая точка — моя температура тела 36.6оС (хочется верить). Засовываю датчик под мышку и смотрю — ага, код такой-то. Запомнили!

Вторая точка — кипящий чайник. Вот он, электрочайник, кипит и бурлит на столе (за час отладки программы я доливал туда воду не раз и в комнате было туманно. ) Засовываю датчик туда — ага, получил вторую точку!

В итоге получилось неплохо — в пределах погрешности, к которой я стремился.

Но вначале я записал в программу то, что было в документации. Потом исправлял для каждого нового датчика.

А что надо сделать для нелинейной характеристики? То же самое, только формула усложняется, больше точек код-значение и существенно сложнее формула получения констант.

В нашем-то примере надо было все-таки делать нелинейную аппроксимацию! Но на некотором участке кривая получается почти линейной. А у нас есть условие — «мерять комнатную температуру». «Комнатная» — это от 10оС (ну мало ли, котел сломался зимой, окна нараспашку!) до 40оС (ну мало ли, кондиционер сломался по летней жарище, окна нараспашку). Как мы видим на нашем графике, на этом участке кривая почти прямая. Прекрасно! Мы надеемся, что у нас в доме меньше 10оС не будет (а если будет — нам уже будет не до датчиков!), и нелинейный участок нас интересовать не будет. Все! Значит, порядок!

В этом и заключается магия четкого отслеживания всех погрешностей и условий работы прибора: если в заданных условиях получившаяся у нас в результате всех преобразований погрешность допустима, то к большей точности стремиться не надо. У нас, скажем, допустима погрешность в 1оС. Попадаем в нее (в условиях комнатной температуры)? Да. Тогда считаем, что устройство работает правильно!

Дискретность преобразования

Значение получили — класс! Теперь давайте проанализируем что мы получили. Мы помним, что преобразование у нас — дискретное. И результат будет ступенчатый. Но что это за ступеньки будут?

Ширина ступеньки — это код. Высота ступеньки — это величина. Код у нас растет монотонно — все время увеличивается на 1-цу. Следовательно, у всех ступенек ширина будет одинаковая. А вот величина может быть и не очень равномерно-монотонной. Если у нас линейная аппроксимация, то высота будет везде одинаковая. Но вот если любая другая, то высота будет плавать в зависимости от диапазона.

Высота ступеньки — шаг изменения исходной величины — задает нам погрешность. В случае линейной аппроксимации погрешность для всего диапазона кодов (и, значит, исходной величины) одинаковая. Но в случае остальных вариантов погрешность будет зависеть от кода (и от величины). Это надо учитывать при последующей оценке погрешности измерений.

Впрочем, на практике это не очень важно, поэтому углубляться не будем, а перейдем к кой-чему, что было нами забыто.

Величину в… интерпретацию?

Для чего нам нужен датчик? Если нас просто интересует, допустим, температура, то на этом можно и остановиться — вот она, температура в Цельсиях! Но если температура, в свою очередь, описывает какой-то другой процесс?

Например, по ходу заряда аккумуляторы постепенно начинают нагреваться. Вначале процесса заряда они нагреваются несущественно, но к концу нагрев растет экспоненциально. Если 1) измерять температуру на аккумуляторах с высокой точностью, 2) знать их емкость и прочие характеристики, а также 3) четко управлять током заряда, то по температуре можно предсказать оставшееся время заряда.

Тогда нам в цепочку преобразований надо вставить еще один этап — график «температура -> время заряда». У этого преобразования будут тоже свои погрешности и особенности. Впрочем, это совсем отдельная тема, и она специфична для каждого случая. Поэтому рассматривать ее тут подробно бессмысленно.

Итоги преобразования

Итак, мы рассмотрели всю последовательность преобразования некоторого физического воздействия в цифровое его значение. Вначале мы подставили физическому воздействию датчик — подставили наш терморезистор под лампу. Это воздействие изменило свойства датчика — и изменился его какой-то электрический параметр. Следующим шагом мы превращаем изменение параметра в изменение напряжения — действие, хоть и условное, но всем удобное. Дальше мы должны преобразовать напряжение в числовой код, понятный микроконтроллеру. Этим занимается класс устройств под названием АЦП. В результате мы получаем дискретный код, который показывает изменение напряжения в некотором заданном диапазоне. В конце мы должны превратить код в число, соответствующее физической величине. По ходу дела приходится решать задачи аппроксимации.

При всех этих действиях у нас погрешность скачет туда-сюда. Каждый узел устройства, каждый шаг преобразования тем или иным образом увеличивает погрешность. Об этом надо помнить и везде закладывать такую погрешность, чтобы сумма всех этих погрешностей в конце не превысила требования к прибору. Под «суммой» тут имеется в виду не арифметическое сложение, а… ну-у… сумма, в общем.

Вкратце об АЦП

У нас осталась еще одна нерассмотренная тема — это АЦП. Вкратце о них было сказано выше, да и вообще тема очень изъеденная в Интернете, но все-таки для полноты картины нужно о них рассказать и тут. Я ограничусь самыми краткими сведениями — теми особенностями, которые надо учитывать при проектировании устройства.

Вы уже познакомились с зависимостью точности преобразования от разрядности? Нет. Тогда знакомьтесь, иначе дальше ничего не поймете! Ну а коли познакомились (не правда ли, приятное знакомство!), двигаемся дальше.

1. Разрядность — эту тему обсудили.
2. Скорость преобразования — это тоже было показано. Вернее, мы остановились на том, что разрядность прямо влияет на скорость преобразования.
3. Опорное напряжение — то самое, в пределах которого производится измерение.

Впрочем, самое то сделать оговорку. Нижняя граница может быть и отрицательной. Есть еще дифференциальный режим измерения — когда есть два входа — нижнее значение и измеряемое. Тогда мы меряем напряжение между ними (а не разницу между данным напряжением и 0). Это используется в случае так называемого «дифференциальног опдключения». Объяснять специфику тут долго, да и выходит оно за рамки статьи. Вкратце: диф. подключение позволяет здорово минимизироват ьвлияние помех. Разницы почти нет. Поэтому для упрощения дальнейшего изложения будем говорить только об измерении текущего напряжения между 0 и опорным.

Увеличивая опорное напряжение, мы «растягиваем» как гармошку «лестницу» результата. Т. е. меняется цена разряда. Уменьшая — соответственно, наоборот. Как правило, опорное напряжение — это константа.

Для создания опорного напряжения используют отдельную микросхему. Она дает высокоточное напряжение (0.1% точности у REF5050), слабо зависящее от температуры. Ток у таких источников питания совсем небольшой (у того же элемента +-10мА), но этого вполне хватает для АЦП. И вообще, запомните: АЦП потребляет мизерный ток от измеряемого сигнала (он измеряется в микроамперах, а часто и в наноамперах). Но, как всегда, есть исключения: в комментариях enclis отметил, что «есть такой класс усилителей/буферов — драйверы АЦП. Из-за входных сопротивлений и емкостей тех же высокоскростных АЦП приходится очень быстро прокачивать несколько мА, а иногда и десятки мА.»

Скорость преобразования, или же, что корректней, частота дискретизации — это следующий ключевой момент, и его надо учитывать в случае периодических измерений. Допустим, у вас меняется ток в устройстве, и вы хотите быстро реагировать на эти изменения. Значит, вы должны уметь их быстро отслеживать. Насколько быстро? Это уже характеристика АЦП.

Загляните на выбор АЦП у Analog Devices. Вы увидите таблицу (или их уже две. ) «Resolution (Bits) x ADC Throughput Rate (SPS)». Это, соответственно, «разрешение (биты) х частота семплирования (SPS)». Разрядность (оно же разрешение) уже рассмотрели, измеряется в битах. Частота семплирования (SPS — samples per second) — это количество выборок (измерений) в секунду. Величина 10 SPS означает, что за секунду это АЦП может произвести 10 измерений. Да-да, SPS — это те же Герцы.

Правда, 10 SPS — это уже из разряда очень высокоточных измерений! В простых случаях все начинается с 1k («k» — это тут KSPS, то есть тысячи SPS)…

Вот такие времена наступили! Меньше 1k измерений в секунду уже никого (почти) не интересует. Дальше — больше: 100k (100 тысяч), 1M (1 миллион), 250+M (более 250 миллионов). Дык, мы уже доросли и до миллиарда измерений в секунду! Есть уже 58 GSPS — собственно, без таких АЦП невозможны современные оптические сети. Такие вот нынче цифры — меряет от доли микровольта до 5 Вольт меньше чем за микросекунду!

На практике необходимо прежде всего решить для себя — какая частота измерений вам нужна? Полоса частот видеосигнала, если я не ошибаюсь, составляет с десяток МГц — это будет один АЦП. Нужно измерять потребление тока в домашней электросети 50 Гц — там будет совсем другой АЦП.

Слишком быстрое АЦП тоже не нужно — микроконтроллер должен успевать обработать результат.

Лично я как максимальную величину устанавливаю ту скорость, что мне выдает мой контроллер (что мой алгоритм успеет обработать). Эта величина у меня никогда не была выше 1 MSPS. Минимальная величина — это предполагаемая частота, увеличенная (грубо) в 10 раз. Тут вы видите примеры различных частот дискретизации.

Если вы измеряете, например, обычные колебания (синусоиду), то необходимо учитывать ее частоту. Если вы выберете частоту АЦП, близкую к частоте колебаний, то вы можете получить красивую, но совсем неправильную информацию о колебаниях. На рисунке представлен как раз этот случай — исходные колебания (синя кривая) опрашиваются весьма, но недостаточно быстро (зеленые линии), в итоге получаем, по сути дела, эффект биения (красная кривая) — результат сложения двух колебаний близких частот.

А вообще — есть теорема Найквиста-Котельникова по поводу выбора частоты дискретизации. Исходя из этой теоремы надо оценить спектр сигнала, найти максимальную гармонику… Испугал? Если да, то запомните простое правило, которое я для себя вывел: нужно делать где-то в 10 раз бОльшую частоту дискретизации, чем частота изменения сигнала. UPD: это правило теоретически некорректное и не всегда правильное, но для быстрого подбора АЦП сойдет.

Тему АЦП можно мурыжить бесконечно — но тут я, наверное, и остановлюсь. Для начального понимания вопроса тут написано достаточно, а дальше нужно погружаться в описания микросхем и мучить вопросами специалистов.

Также пора завершать всю тему про датчики. Надеюсь, своей статьей я кому-то сэкономил время (и место на рабочем столе). Если уважаемые читатели увидят какие-нибудь неточности, очепятки и ошибки — пишите, благо сервис позволяет их исправлять!

[1] моя голова
[2] Интернет
[3] мои железяки, где используются датчики

P. S.Хочу поучаствовать в конкурсе, поэтому добавляю:

• АЦП,
• система сбора данных,
• система управления,
• датчик,
• начинающим,
• аналоговые датчики,
• Конкурс2

• +19
• 27 сентября 2012, 18:26
• PICC