Аналоговые каналы связи. Схемы подключения датчиков с аналоговым выходным сигналом к контроллерам

ДАТЧИКИ С ДВУХПРОВОДНОЙ ТОКОВОЙ ЛИНИЕЙ СВЯЗИ

Как уже отмечалось, наиболее распространённым видом передачи аналогового сигнала является сигнал 4...20 мА.

Основная характеристика первичных преобразователей (датчиков) - низкое энергопотребление при минимальном значении входного сигнала. Для работы датчика требуется ток менее 4 мА. Только в этом случае электропитание и выходной сигнал могут подаваться по одной линии.

На рис. приведена типовая схема подключения датчика по двухпроводной схеме. Для питания электронной схемы датчика требуется невысокое напряжение питания порядка 5...8 В, которое может преобразовываться в датчике в двуполярное стабилизированное напряжения порядка ±2,5 В. Этого напряжения достаточно для работы схем усилителя, а также управления дисплеем и выходным транзистором. На все эти функции, как правило, потребляется ток менее 2 мА. Ситуация не изменяется, даже если датчик вырабатывает более высокий выходной сигнал. На верхнем пределе ток, потребляемый электроникой, немного выше. Выходной транзистор приоткрывается (т.е. сопротивление его перехода уменьшается) настолько, чтобы пропустить ток 18,1 мА; в результате по линии связи проходит полный ток 20 мА

Рис. Схема подключения датчика по двухпроводной схеме

Рассматриваемая схема подключения датчика к контроллеру называется токовой петлёй, широко используется в аппаратуре для промышленных измерений и обладает рядом преимуществ. Во-первых, токовая петля имеет низкое сопротивление, а следовательно, более устойчива к помехам, чем линии связи с сигналами напряжения. Кроме того, до определенного предела она не чувствительна к изменению внутреннего сопротивления проводов линии связи. Во-вторых, «нуль» токового контура 4...20 мА отличается от «нуля сигнала работающего прибора», что позволяет надежно распознать неисправность датчика, а также обрыв линии связи.

Электроника датчика распознаёт отказ прибора (например, неисправность чувствительного элемента (сенсора)) и немедленно устанавливает выходной сигнал, равный 3 мА. При обрыве ток в линии отсутствует (0 мА). В обоих состояниях выходной сигнал будет отличен от сигнала в режиме измерения, что позволяет обнаружить неисправность (рис. 8.3). Диапазон 4...20 мА имеет фиксированный верхний предел, поэтому ток, превышающий 20 мА, также не может интерпретироваться как измерительный сигнал. Это может служить указанием, что значение измеряемого параметра превысило измерительный диапазон, или свидетельствовать о коротком замыкании, т.е. о неисправности. При этом ток короткого замыкания должен ограничиваться до разумного значения на стороне контроллера с помощью защитного резистора (или плавкого предохранителя).

Рис.. Шкалы измеряемого сигнала и тока датчика.

Серым цветом выделен диапазон тока, интерпретируемого как измерительный сигнал

Если датчик откалиброван, то при отсутствии давления он покажет «нуль». Чтобы амперметр показывал ток 4 мА, выходной транзистор должен «приоткрыться» и отобрать из линии питания определенный ток, доведя полный ток в цепи до 4 мА. Считается, что ток ниже 3,6 мА или выше 21 мА свидетельствует о неисправности. Следовательно, измерительный сигнал включая выход за нижнюю границу диапазона и превышение верхней границы диапазона, находится в пределах между 3,8 и 20,5 мА:

Большинство датчиков в нефтегазовой промышленности являются полевыми устройствами, преобразующими измеряемый параметр в сигнал 4...20 мА. Без барьера безопасности они могут использоваться только в невзрывоопасных областях, При соединении с соответствующим барьером безопасности датчики можно установить во взрывоопасной зоне.

ДАТЧИКИ ДЛЯ НЕВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ

Датчики могут работать при напряжении питания в диапазоне 8...28 В. В ряде контроллеров, имеющих аналоговые входы, напряжение питания выводится на клеммы разъема для питания аналоговых датчиков. Измерительная схема всегда одинакова (рис. 8.4). Измерительный ток /„ протекает через резистор R_tx , создавая пропорциональное падение напряжения U_tx , которое усиливается измерительным усилителем. Результирующее напряжение U_ailx используется для индикации результатов измерения и формирования сигнала тревоги с помощью компараторов.

Рис. 8.4. Подключение двухпроводного датчика 4...20 мА к контроллеру с питанием датчиков по входным цепям

Если двухпроводный датчик работает с контроллером, в котором не предусмотрены клеммы для питания датчика, то его необходимо подсоединить к внешнему источнику питания напряжением 24 В (или к аккумулятору). При этом положительный полюс источника питания соединяется непосредственно с положительным полюсом питания датчика, а отрицательный полюс источника питания соединяется с отрицательной входной клеммой входного сигнала 4...20 мА на контроллере (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Схема подключения двухпроводного датчика 4...20 мА к контроллеру при внешнем источнике питания

ДАТЧИКИ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНОЙ ЗОНЫ. БАРЬЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

На предприятиях газовой и нефтяной промышленности для сопряжения контрольно-измерительного оборудования, размещённого во взрывобезопасной зоне, с датчиками, установленными во взрывоопасных зонах, в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями применяются барьеры искрозащиты.

Во взрывоопасных зонах разрешается размещать оборудование двух типов:

• взрывозащищенной конструкции ("d" - взрывонепронииаемая оболочка), когда не допускается распространение разруше ний, вызванных давлением взрыва, зл пределы оболочки прибора;

• искробезопасной конструкции (маркируется как "Ех"). Искробезопасность - это метод защиты, гарантирующий, что при возникновении одной неисправности («ib») или даже двух независимых неисправностей («ia») в аппарате не возникнет ни горячих поверхностей, ни искр, которые могли бы поджечь горючую смесь, окружающую датчик, В отличие от других методов защиты, искробезопасен не только датчик, но и вся цепь. Эта искробезопасная цепь должна быть отделена от неискробезопасной цепи контроллера так называемым барьером безопасности.

Барьер искробезопасности ограничивает напряжение, поступающее на датчик до уровня U_max , и мощность до уровня Р_max . Эти значения могут быть различными для разных барьеров искрозащиты. Например, для барьера искрозащиты GHG 1169 110 V0 (ABB) соответствующие параметры этого барьера: U_max = 19,2 В, Р_max = 648 мВт.

Барьер безопасности должен быть заземлен (РЕ) или соединен с общей шиной (РА); то же относится и к экрану (рис. 8.6).

При использовании искробезопасной гальванической развязки заземление теряет смысл. Экран кабеля на искробезопасной стороне следует подсоединить к определенному потенциалу, например, к отрицательному полюсу. Экран между искробезопасной гальванической развязкой и центральным блоком необходимо соединить с потенциалом земли (РЕ) на центральном блоке.

Барьер безопасности отделяет искробезопасную цепь искробезопасного датчика от неискробезопасной цепи контроллера. Типичный пассивный барьер безопасности (рис. 8.7) содержит четыре основных компонента:

1) один (или несколько) токоограничивающих резисторов;

2) один (или несколько) стабилитронов, ограничивающих напряжение;

3) защиту от перегрузки (например малоинерционный плавкий предохранитель);

4) соединитель заземления РА/РЕ.

Рис. 8.6. Схема подключения датчика к барьеру безопасности:

а - без гальванической развязки; б - при использовании гальванической развязки

Рис. 8.7. Схема пассивного барьера безопасности

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА ИСКРОЗАЩИТЫ

Если (при неисправности) напряжение неискробезопасной цепи становится слишком высоким (потенциал измеряется относительно потенциала точки РА/РЕ), то стабилитроны, обычно имеющие высокое сопротивление, начинают проводить и потребляют столь высокий ток, что плавкий предохранитель перегорает. Таким образом, опасные высокие напряжения не могут передаваться во взрывоопасную зону. При замыкании на массу во взрывоопасной области максимальный ток ограничен токоограничивающим резистором во невзрывоопасной области и/или перегорает плавкий предохранитель. Следовательно, опасно высокие токи не могут передаваться во взрывоопасную область, т.е. электропитание в искробезопасной цепи надежно ограничено.

Очевидно, что такой барьер безопасности должен быть сертифицирован и маркирован как прибор, обеспечивающий взрывобезопасность, например, [Ex ib]. Квадратные скобки указывают, что барьер безопасности обеспечивает искробезопасность цепи категории «ib», однако сам по себе не является взрывозащищенным прибором, т.е. барьер следует устанавливать только во взрывобезопасной области (обычно в шкафу управления, где монтируется контроллер).

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ

Датчик, который содержит в своем составе микропроцессорное устройство обработки информации, называют интеллектуальным датчиком.

На рис. 8.9 показана функциональная схема интеллектуального датчика давления.

Рис. 8.9. Функциональная схема интеллектуального датчика давления 120

Сенсор - чувствительный элемент - преобразует давление в напряжение. АЦП - аналого-цифровой преобразователь - преобразует напряжение в код. МП - микропроцессор - осуществляет обработку сигнала - вычисление значения вычисляемого параметра, а также функции управления и линеаризации характеристики сенсора. Интерфейсные блоки служат для формирования сигналов цифровой и аналоговой передачи данных. Устройство индикации показывает значение измеряемого параметра.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 42; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 23

Мы поможем в написании ваших работ!