Классификация электрических датчиков

По формированию электрического выходного сигнала электрические датчики делятся на :

генераторные - являются источниками электрической энергии, зависящей от входного сигнала, и

параметрические - изменение входного сигнала вызывает соответствующее изменение какого-либо параметра электрической цепи.

От принципа действия или метода, используемого при преобразовании входного сигнала в электрический выходной:

Контактные - параметрические, электрическое сопротивление изменяется скачком в зависимости от входной механической величины (в результате замыкания или размыкания цепи), дискретные. Потенциометрические - предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. Существуют также реверсивные потенциометрические датчики - вводное напряжение изменяет полярность при изменении знака входного сигнала, функциональные -зависимость сопротивления обмотки от перемещения движка является нелинейной; используются для получения выходного сигнала, изменяющегося по определенному закону.

Тензометрические - их работа основана на изменении активного сопротивления Материала при его механической деформации. В качестве материалов используются полупроводники или проводники (проволока, фольга, пленка), относятся к параметрическим.

Электромагнитные - предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи (индуктивные, индукционные, трансформаторные, магнитоупругие).Бывают реверсивными, плужерные датчики.

Пьезометрические - работа таких датчиков основана на пьезоэлектрическом эффекте (прямой, обратный). При сжатии кристалла на его стенках образуются заряды разных знаков.

Емкостные - преобразуют измеряемую величину в емкостное сопротивление. Относятся к 1 параметрическим.

Терморезисторы - относятся к параметрическим, их активное сопротивление зависит от температуры также их называют термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Различают - металлические, полупроводниковые (термисторы).

Термоэлектрические - относят к генераторным. Их работа основана на появлении термоэлектродвижущей силы (термо-эдс).

Струнные -частотный метод, работа этих датчиков основана на зависимости собственной частоты •* колебаний натянутой струны длиной 1 и массой m от силы натяжения F

Фотоэлектрические — реагируют на изменение освещенности. Как правило состоит из источника и приемника светового потока (ПСП)

Ультразвуковые - их работа основана на взаимодействии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой.

Датчики Холла (работа основана на эффекте Холла) и магнитосопротивления (изменение

сопротивления проводящих тел в магнитном поле) и др.

По характеру изменения выходного сигнала - непрерывные (аналоговые) и дискретные.

(Уолт Кестер)Строго говоря, датчик (sensor) определяется как устройство, принимающее входной сигнал или возбуждение и отвечающее электрическим сигналом, в то время как преобразователь (transducer), это конвертер одного типа энергии в другую. В то же время, на практике эти термины являются взаимозаменяемыми.

Датчики, и связанные с ними цепи, используются для измерения различных физических свойств, например, температуры, силы, давления, потока, позиции, интенсивности света и др. Эти свойства задают возбуждение датчика, а его выход обуславливается и обрабатывается соответствующим измерением физического свойства. Мы не будем рассматриваться все типы датчиков, а только самые распространенные и подходящие для систем управления процессом и систем сбора данных.

Датчики не работают самостоятельно. Обычно, они являются частью большой системы, состоящей из формирователей сигнала и различных аналоговых и цифровых цепей обработки сигнала.

Рис.1.1. Обзор датчиков.

Логично будет классифицировать датчики в соответствии с физическими свойствами, для измерения которых они разработаны. Так, можно выделить температурные датчики, датчики силы, датчики давления, датчики перемещения и др. При этом сенсоры, которые измеряют различные свойства, могут иметь одинаковый электрический выход. Например, резистивные термометры характеризуются переменным сопротивлением, также как тензометры.

Предел шкалы выходов большинства датчиков (пассивных или активных) составляют малые изменения напряжения, тока или сопротивления, и поэтому выходы должны быть соответствующим образом согласованы перед проведением аналоговой или цифровой обработки сигнала. Исходя из вышесказанного, выявляется целый класс цепей, относящийся к цепям формирования сигнала. Усиление, сдвиг уровня, гальваническая изоляция, трансформация сопротивлений, линеаризация и фильтрация являются основными функциями формирования сигнала, которые могут потребоваться.

Какая бы форма формирования не использовалась, схема и производительность будут зависеть от электрического характера датчика и его выходов. Характеристики точности датчика, в значениях параметров, предопределяются приложением, например, чувствительность, уровни напряжения и тока, линейность, полное сопротивление, коэффициент усиления, смещение, дрейф, временные константы, требования к электрическим характеристикам, паразитный импеданс и др. могут вызвать изменения между подстандартами и удачным применением устройства, особенно в случаях, где затрагиваются высокое разрешение и точность, или низкоуровневое измерение.

Высокие уровни интеграции позволяют ИС играть большую роль в аналоговом и цифровом формировании сигналов. АЦП, специально разработанные для приложений измерения, часто содержат встроенные усилители с программируемым усилением {programmable-gain amplifiers, PGA) и другие полезные цепи, как, например, источники тока для резистивных термодатчиков, которые минимизируют потребность во внешних цепях.

Большинство выходов сенсоров являются нелинейными, что отражается на возбуждении, и их выходы должны быть линеаризированы для получения корректных измерений. Для выполнения этой функции может быть использована аналоговая техника, несмотря на то, что недавнее введение высокопроизводительных АЦП позволяет произвести программную более эффективную и точную линеаризацию, исключая необходимость в утомительной ручной калибровке.

Применение датчиков в типичной системе управления процессом показано на Рис. 1.3. Физическим свойством, которое предполагается контролировать, является температура. Выходы температурного датчика согласованы и далее оцифровываются АЦП. Микроконтроллер или главный компьютер определяет выше или ниже температура выбранного значения и выдает цифровое значение на ЦАП. Выход ЦАП согласован и управляет приводом (actuator), в данном случае нагревателем. Следует заметить, что интерфейс между диспетчером и удаленной стороной происходит через промышленный стандарт 4 - 20 мА контура управления.

Рис1. классификация электронных датчиков (распечатка)

По назначению выделяют:

- измерительные преобразователе - датчики, которые с определенной погрешностью производят однозначное функциональное преобразование одной электрической величины X в другую Y.

- особая группа - нормализаторы, которые реализуют функцию у = kх, где k - коэффициент передачи (может быть больше или меньше 1), данные нормализаторы не меняют вида функции.

- датчики допускового контроля - используют в автоматических системах контроля параллельного

действия, когда каждый параметр непрерывно контролируется датчиком по методу «в норме» - «не в норме».

- генераторы стимулирующих сигналов (стимулов) - составляют особую группу датчиков, с помощью которых вырабатывается контрольный сигнал, воздействующий на проверяемый блок или устройство и приводящий его в режим, близкий к реальному или определить его параметры, однозначно определяющие его техническое состояние.

По типу преобразования датчики делятся на три группы:

генераторные - можно отнести следующие типы датчиков:

термоэлектрические - энергия электромагнитного поля преобразуется в термо-эдс.

индукционные - под действием электромагнитного поля индуктируется эдс.

фотоэлектрические - под действием светового излучения возникает фото-эдс, прямо пропорциональная освещенности.

аналоговые - включают следующие типы датчиков:

- усилители - реализуют функцию у = kх, где k - коэффициент передачи (больше 1), у - выходной сигнал, х - входной сигнал, нормализаторы - k-меныпе 1.

- функциональные преобразователи - входной сигнал с заданной точностью превращается в

выходной сигнал. При этом входной сигнал по виду отличается от выходного. Пример:F=f(U) - преобразование постоянного напряжения в частоту.

- дискретные - датчики, в которых аналоговые величины с заданной точностью преобразуются в дискретные. По виду дискретных состояний эта группа разделяется на двузначные (норма - не норма; проходит — не проходит); трехзначные (меньше — норма - больше) и многозначные.

выходной код которых пропорционален значениям входного аналогового сигнала. Отдельную нишу занимают интеллектуальные датчики - датчики с дополнительными функциями диагностики и измерения параметров.

Цифровая техника становится все более популярной при обработке выходов с датчиков в системах сбора данных, управления процессом и измерения. 8-разрядные микроконтроллеры (например, 8051-совместимые) обладают достаточной скоростью обработки для большинства приложений. Включением А/Ц преобразования и возможности программирования микроконтроллера внутри датчика, можно реализовать «интеллектуальный датчик» («smart sensor*), обладающий функцией самокалибровки, линеаризации и др.

Интеллектуальный датчик можно непосредственно соединять с индустриальной сетью, как показано на Рис. 1.5.

Исполнительные механизмы — устройство для преобразования электрического сигнала, поступающего от микроконтроллера в то или иное физическое воздействие.

Лекция 5. Искробарьеры (2хканальные, многоканальные)

Назначение устройство принципы работы

На предприятиях химической, угольной, нефтехимической, газовой промышленности для сопряжения контрольно-измерительного оборудования, размещенного во взрывобезопасной зоне, в качестве разделительных элементов искробезопасными и иокроопаеными цепями применяются барьеры искрозашиты на стабилитронах

Барьеры искрозашиты на стабилитронах (БИС) представляет собой удовле­творяющий требованиям стандарта ГОСТ 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99) узел законченной конструкции, который изготавливаться в виде отдельного устройства или части искробезопасного и связанного электрооборудования.

Обычно БИС выполнен как единый неразборный блок, залитый компас­ом или помещённый в неразборную оболочку исключает возможность ремонта или замены элементов его внутреннего монтажа

БИС состоит из шунтирующих стабилитронов последовательно включенных резисторов или резисторов и предохранителей (рис. 1).

В нормальном режиме работы электрооборудования напряжение пробоя стабилитронов не превышается- стабилитрон не проводит ток. При возникновении аварии во вторичной части измерительной системы, расположенной в безопасной зоне, и при превышении внешним напряжением значения напряжения пробоя стабилитрона (рабочей областью стабилитронов является участок на обратной ветви вольт-амперной характеристики) он переходит в режим стабилизации уровня напряжения при изменении величины протекающего через него тока стабилитpoн начинает проводить ток. Последовательно включённый резистор ограничивает ток в цепи, взрывоопасной зоны. При достижении током определенного значения срабатывает встроенный предохранитель предотвращает передачу недопустимо большой электрической мощности из безопасной зоны в электрические цепи оборудования, расположенного во взрывоопасной зоне.

Таким. образом обеспечивается искробезопасный ток (напряжение, мощность или энергия) в электричес­кой цепи, при котором не может про­изойти воспламенение во взрывоопасной зоне, и в то же время сохраняются нормальные условия для прохождения через барьер электрических сигналов без их шунтирования.

Точки 7 и 8 подключаются к электро­оборудованию, установленному вне взрывоопасной зоны. Это оборудова­ние не должно содержать источников энергии с напряжением выше 250 В от­носительно земли. К точкам 1 и 2 допу­скается подключение только взрывозащищённого электрооборудования с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», предназна­ченного для установки в конкретных классах взрывоопасных зон. имеющего сертификат соответствия, свидетельст­во о взрывозащищённости и разреше­ние Гостерхнадзора РФ на применении во взрывоопасных зонах. БИС разработаны с учётом исполь­зования в большинстве задач, связан­ных с обеспечением искробезопасности цепей систем автоматизации и уп­равления во взрывоопасных средах. Поэтому они могут применяться для подключения и двухпроводных датчи­ков, и электропневматических преоб­разователей, и элекгромаппгпгых кла­панов, и других традиционных уст­ройств систем автоматизации. Допус­кается подключение и так называемого простого электрооборудования — эле­ктрических элементов или комбина­ций элементов, имеющих простую конструкцию с точно определёнными электрическими параметрами, совмес­тимыми с допустимыми параметрами для искробезопасной цепи, к которой они подключаются. К простому элект­рооборудованию относят:

а) пассивные элементы, например вы­ключатели, потенциометры и резис­торы;

б)цакапливающие энергию устройст­ва, имеющие точно известные пара­метры, например конденсаторы или катушки индуктивности;

в) источники энергии, например тер­мопары и фотоэлементы, в которых значения генерируемою напряжения, тока или моггтности не превышают соответственно 1,5 В, 100 мА и 25 Вт. Необходимо отметить, что простое электрооборудование должно соответ­ствовать всем требованиям ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079-11-99) «Элек­трооборудование взрывозащищенное

Рис. 1 электрическая схема барьера искрозащиты на стабилитронах

Рис. 2 принцип работы БИС

а) напряжение питания не превышает допустимый максимум

б) напряжение питания превысило допустимый максимум

Часть 11. Искробезопасная электриче­ская цепь i».

БИС идентифицируется по показа­телям напряжения, сопротивления и полярности, например «10 В, 50 Ом, положительная полярность». Первые два показателя соответствуют напря­жению стабилизации стабилитрона, или максимальному выходному напря­жению (А_л),и суммарному сопротив­лению всех компонентов барьера (по­следовательное сопротивление). Зна­чение Ор (максимальный выходной ток) получается делением А_дна сопротив­ление Об которое в основном опреде­ляет величину последовательного со­противления барьера. В идентифика­ционных маркировочных табличках на конкретные барьеры приводятся зна­чения Ад и Ор для наихудшего случая, полученные при сертификационных испытаниях. Следует подчеркнуть, что это экстремальные значения показате­лей, которые не соответствуют рабоче­му диапазону БИС.

В идеальном случае стабилитроны не должны вообще пропускать ток в об­ратном направлении до тех пор, пока не будет достигнуто значение напряже­ния пробоя. На практике стабилит­роны допускают небольшой ток утечки, значение которого увели­чивается с ростом приложенного напряжения.

Следовательно, напряжение ра­бочей области БИС должно быть ниже напряжения стабилизации, так чтобы протекающий через ста­билитрон ток был ограничен до минимума. Обычно ЬИС должен обеспечивать при заданном напря­жении ток утечки менее 10 мкА. Допустимое значение напряжения указывается в перечне технических характеристик для каждого типа барьеров вместе со значением тока утечки. Если значение тока утечки для приведённою напряжения отличается от 10 мкА, то это указывается особо. Так, для барьеров серий Z7xx. Z8xx, Z9xx фирмы Pepperl+Fuchs Elcon данные параметры указаны в [1] и в приложении к Свидетельству о взрывозащищённости электрооборудования (электротехнических устройств) ЦС ВЭ

Рис, 2 поясняет принцип работы: БИС. Ток утечки через стабилитроны составляет 10 мкА при условии что напряжение питания менее 25,5 В. Такой ток является допустимым по величине и не оказывает большого влияния на нагрузку (рис. 2 а). В случае если напряжение превышает 25,5 В (макси­мально допустимое значение входного напряжения), стабилитроны начинают проводить ток, который существенно превышает ток утечки и, протекая че­рез стабилитроны, не достигает цепей нагрузки во. взрывоопасной зоне (рис. 2 б). Поэтому рекомендуется применять источник с управляемые напряжением, который поддерживает значение напряжения ниже значения, при котором стабилитроны начинают проводить ток.

БИС характеризуются низким значением последовательного сопротивления, определяемого суммой сопротивлений резистора и предохранителя. Вследствие этого случайное короткое замыкание точек 1 и 2 может вызвать перегорание внутреннего предо хранителя. Для того чтобы избежать это, некоторые барьеры серии Z имеют своём составе электронные устройст­ва ограничения тока (исполнение CL current limitation). На рис. 3 при ведена схема БИС Z715 со встроен» электронным ограничителем тока, а рис. 4 — приведена схема БИС Z954 встроенными токоограничивающими резисторами. Некоторые барьеры ис­пользуют сменные дополнительные предохранители. Эти предохранители обеспечивают защиту в случаях смены полярности рабочего напряжения, скачка напряжений и т.п., которые ча­сто происходят во время ввода системы в эксплуатацию

Рис. 3. Электрическая схема БИС Z715 с электронным ограничителем тока (здесь и далее как «хЗ» обозначены три параллельно включенных стабилитрона)

Рис. 4. Электрическая схема БИС 2954 с встроенными резисторами

Рис. 5. Электрическая схема БИС kz631+сосменным предохранителем

Рис. 6. Электрическая схема БИС со встроенным резистором 250 Ом для преобразования токовых сигналов 4…20 мА в уровни напряжения

Они устанавливаются таким образом, чтобы иметь возмож­ность среагировать на недопустимое значение тока раньше внутреннего предохранителя F1. Все БИС серии KZ6G0 фирмы Pepper!-Fuchs Elcon снабжены дополнительными сменными предохранителями на рис 5 проедет схема популярно­го БИС KZ6J1+ со сменным пре­дохранителем. Необходимо заметить, что этот сменный предохранитель обеспечи­вает также удобство отклю­чения или размыкания цепи сигнала при проверках и обслуживании.

Многие барьеры имеют встроенные сопротивления, подключённые между выходными точками. Они применяются в схемах с первичными преобразователями, имеющими унифицированный токовый выход (4...2П мА). В качестве примера та­кого барьера на рис. 6 пред­ставлена схема БИС Z7K8.K R

К ВОПРОСУ О ЗАЗЕМЛЕНИИ

В простейших случаях для решения задач обеспечения искрозащиты применяются одноканальные БИС подключенные к системе заземления с помощью специально предназначенных для этого соединительных устройств в качестве таких устройств используется контакт на монтажном основание корпуса барьера, обеспечивающий подключение внутренней электрической цепи БИС к защитному заземлению при установке барьера на DIN-рейку, а также по крайней мере одно соединительное устройство (интегрирования клемма) для подключения к заземлению изолированным проводом с площадью поперечного сечения не менее 4 мм

Если БИС не соединен с контуром заземления, то при аварийном режиме возможно возникновение искрового разряда во взрывоопасной зоне (рис. 7.) Если же БИС заземлен, то в аварийном режиме при возникновении потенциала превышающего допустимый стабилитрон переходят в рабочий режим (участок пробоя обратной ветви вольтамперной характеристики), и протекающий через них ток отводится по контуру заземления (рис. 8).

Необходимо запомнить, что БИС могут применяться только в том случае, если они заземлены через эквипотенциальную систему заземления

(электрическое соединение обеспечивающее для различных проводящих участков и прочих сторонних проводящих частей практически равный электрический потенциал) изолированную от точек заземления силовых установок и надежно присоединенную к единственной точке заземления. Если эквипотенциальная система заземления не может быть организована, то БИС не могут быть применены.

0дим из требований ГОСТ Р 513.30. 10-90 к электрическим цепям является отсутствие за­земления у искробезопасной цепи (ИБЦ), если этого не требуют условия работы электрооборудования. Устройства установленные во взрывоопасной зоне и подключённые к БИС, такие как термопаре термометры сопротивления выключатели, электропневматические преобразователи, электроклапаны и т. п., должны быть изолированы от заземления изоляции должна выдерживать испытательное напряжете, равное удвоенному номинальному напряже­нию искробезопасной цепи, но не менее 500 В переменного тока (действующее значение). В случае если устройства, уста­новленные во взрывоопасной зоне, заземлены, для обеспече­ния искробезопасности цепи применяются барьеры с гальванической развязкой между цепями, подключенными к установленному во взрывоопасной зоне.

Рис. 7. БИС, не соединенный с Рис. 8. БИС, соединенный с

Контуром заземления контуром заземления

В этом случае не требуется организации эквипотенциальной системы заземления. Часто аналоговые электроцепи подключаются через двуканальные БИС.

Применения двухканального БИС показан ни рис. 9. Так как в этом случае подключение дат­чика выполнено без соеди­нения с контуром заземле­ния, то получениюв ре­зультате система может считаться плавающей. Подобные решения на базе многоканальных БИС способствует улучшению соотношения сигнал/шум при передаче сигнала, а дополнительным преимуществом их применения является более компактное размещение аппаратуры.

Примечание по монтажу и эксплуатации БИС

БИС фирмы Pepperl+Fuchs Elcon серий Z7xx, Z8xx, Z9xxмогут быть ус­тановлены на стандартной (EN 50022) DIN-направляющей тремя различны­ми способами.

Эквипотенциальное соединение через стандартную DIN-рейку (заземление всех установленных БИС рис. 10.)

Групповое заземление через изолированную шину (рис. 11.)

Индивидуальное заземление через изолированную шину с помощью заземляющего проводника (рис. 12).

Соединительное устройство для подключения БИС к заземлению должно быть дублированным и, так же как заземляющий провод, рассчитываться; 10-кратный номинальный ток предохранителей установленных в БИС Кроме того, эти устройства должны выдерживать механические нагрузки, возможные в реальных условиях эксплуатации.

Рис. 9. применение двухканального БИС с Рис. 11. Изолированный монтаж

Преобразователем унифицированного токового сигнала 4…20 мА

Рис. 10. Эквипотенциальное соединение Рис. 12. изолированный монтаж (индивидуальное через стандартную направляющую заземление, барьер изолирован от DIN-рейки)

Рис. 13. Конструкция Бис типа z фирмы

Pepprl+Fuchs

Соединения БИС с сис­темой заземления должны быть отделены от других плоскостей заземления и выполнены в единой точ­ке.

Данное требование под­разумевает, что БИС без средств гальванической развязки не могут быть применены для состыков­ки датчиков или электрооборудования. содержа­щих заземлённые или пло­хо изолированные элект­роцепи (например, термо­пары с заземленными спа­ями или неизолированные преобра­зователи).

БИС фирмы Pepperl+Fuchs характеризуется компактным корпусом шириной 12.5 мм (рис. 13).Корпус выполнен из синтетического материала Makrolon (поликарбонат), который по своей пожаростойкости относится к материалам класса UL94-0 ( может воспламениться или накалиться, но гаснет в тече­ние периода времени, в среднем не превышающего 5 с). Конструкция корпуса БИС имеет степень защиты TP2D 14254-81), что гарантирует от попадания внутрь изделия твёрдых час­тиц пыли м грязи, а также брызг волы.

Обычно БИС устанавли­ваются в шасси или шкафах управления, размещенных вне взрывоопасной зоне. Штатным способом крепления модулей барьеров является их защелкивание на 35 мм. стандартной DIN-рейке. Подключение внешних электрических це­пей реализуется через соединители для проводов с максимальным сечением 2.5 мм.

Монтаж модулей БИС должен быть

проведён так чтобы ИБЦ не подвергались

опасности механического повреждения

несанкционированным действиям со стороны персонала;

воздействию влаги, пыли и твердых посторонних тел

температурным возденете превышающим допустимый уровень. Кроме того, очень важно, чтобы выполненный монтаж исключал возможность подключения искробезопасных цепей к искробезопасным цепям.

Следует особо отметить, что харак­теристики передачи данных барьерами искрозащиты остаются постоянными в течение длительного периода време­ни, так что не требуется провозить ре­гулярные настройки или профилакти­ческие мероприятия. Более того, в процессе эксплуатации не могут производиться никакие модификации ус­тройств, которые подключены к оборудованию взрывоопасных зон, а не­обходимые ремонтные работы должны выполняться только специально обу­ченным и уполномоченным персоналом.