Praktische Schemata zum Einschalten von Sensoren. Anschließen von Sensoren mit Stromausgang an Sekundärgeräte Anschließen eines Sensors mit Analogausgang

Grundlagen des 4..20mA-Stromschleifenbetriebs

Seit den 1950er Jahren wird die Stromschleife verwendet, um Daten von Wandlern in Überwachungs- und Steuerungsprozessen zu übertragen. Mit geringen Implementierungskosten, hoher Störfestigkeit und der Fähigkeit, Signale über große Entfernungen zu übertragen, hat sich die Stromschleife als besonders geeignet für industrielle Umgebungen erwiesen. Dieses Material widmet sich der Beschreibung der Grundprinzipien der Stromschleife, der Grundlagen des Designs und der Konfiguration.

Verwenden von Strom zum Übertragen von Daten vom Konverter

Sensoren in Industriequalität verwenden häufig ein Stromsignal zur Datenübertragung, im Gegensatz zu den meisten anderen Wandlern wie Thermoelementen oder Dehnungsmessstreifen, die ein Spannungssignal verwenden. Obwohl Wandler, die Spannung als Kommunikationsparameter verwenden, in vielen industriellen Anwendungen tatsächlich effektiv sind, gibt es eine Reihe von Anwendungen, bei denen die Verwendung von Stromkennlinien vorzuziehen ist. Ein erheblicher Nachteil bei der Verwendung von Spannung zur Signalübertragung unter industriellen Bedingungen ist die Schwächung des Signals bei der Übertragung über große Entfernungen aufgrund des Vorhandenseins von Widerständen in kabelgebundenen Kommunikationsleitungen. Sie können natürlich Geräte mit hoher Eingangsimpedanz verwenden, um Signalverluste zu umgehen. Solche Geräte sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Geräuschen, die von in der Nähe befindlichen Motoren, Antriebsriemen oder Rundfunksendern erzeugt werden.

Nach dem ersten Kirchhoffschen Gesetz ist die Summe der in einen Knoten fließenden Ströme gleich der Summe der aus dem Knoten fließenden Ströme.
Theoretisch sollte der Strom, der am Anfang des Stromkreises fließt, sein Ende vollständig erreichen,
wie in Abb. 1 gezeigt. ein.

Abb.1. Nach dem ersten Kirchhoffschen Gesetz ist der Strom am Anfang des Stromkreises gleich dem Strom am Ende.

Dies ist das Grundprinzip, nach dem die Messschleife arbeitet: Eine Strommessung an einer beliebigen Stelle in der Stromschleife (Messschleife) liefert das gleiche Ergebnis. Durch die Verwendung von Stromsignalen und Datenerfassungsempfängern mit niedriger Eingangsimpedanz können industrielle Anwendungen stark von einer verbesserten Störfestigkeit und einer längeren Verbindungslänge profitieren.

Komponenten der Stromschleife
Die Hauptkomponenten der Stromschleife umfassen eine Gleichstromquelle, einen Sensor, ein Datenerfassungsgerät und Drähte, die sie in Reihe verbinden, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Abb.2. Funktionsdiagramm der Stromschleife.

Eine Gleichstromquelle versorgt das System mit Strom. Der Sender regelt den Strom in den Drähten von 4 bis 20 mA, wobei 4 mA eine lebendige Null und 20 mA das maximale Signal ist.
0 mA (kein Strom) bedeutet Unterbrechung. Das Datenerfassungsgerät misst den geregelten Strom. Eine effiziente und genaue Methode zur Strommessung besteht darin, am Eingang des Messverstärkers des Datenerfassungsgeräts (in Abb. 2) einen Präzisions-Shunt-Widerstand zu installieren, der den Strom in eine Messspannung umwandelt, um letztendlich ein Ergebnis zu erhalten spiegelt eindeutig das Signal am Ausgang des Wandlers wider.

Um Ihnen zu helfen, die Funktionsweise der Stromschleife besser zu verstehen, betrachten Sie als Beispiel ein Systemdesign mit einem Wandler, der die folgenden Spezifikationen aufweist:

Der Wandler wird verwendet, um den Druck zu messen
Der Sender befindet sich 2000 Fuß vom Messgerät entfernt
Der vom Datenerfassungsgerät gemessene Strom liefert dem Bediener Informationen über die Höhe des auf den Wandler ausgeübten Drucks

Betrachtet man das Beispiel, beginnen wir mit der Auswahl eines geeigneten Konverters.

Aktuelles Systemdesign

Konverterauswahl

Der erste Schritt beim Entwerfen eines aktuellen Systems ist die Auswahl eines Wandlers. Unabhängig von der Art der Messgröße (Durchfluss, Druck, Temperatur usw.) ist die Betriebsspannung ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Messumformers. Nur durch Anschließen der Stromversorgung an den Konverter können Sie die Stromstärke in der Kommunikationsleitung einstellen. Der Spannungswert der Stromversorgung muss innerhalb akzeptabler Grenzen liegen: mehr als der erforderliche Mindestwert, weniger als der Höchstwert, der den Wechselrichter beschädigen kann.

Für das Beispielstromsystem misst der ausgewählte Wandler den Druck und hat eine Betriebsspannung von 12 bis 30 V. Wenn der Wandler ausgewählt wird, muss das Stromsignal korrekt gemessen werden, um eine genaue Darstellung des an den Messumformer angelegten Drucks zu liefern.

Auswählen eines Datenerfassungsgeräts für die Strommessung

Ein wichtiger Aspekt, auf den beim Aufbau eines Stromsystems geachtet werden muss, besteht darin, das Auftreten einer Stromschleife im Erdungskreis zu verhindern. Eine übliche Technik in solchen Fällen ist die Isolierung. Durch die Verwendung einer Isolierung können Sie den Einfluss der Masseschleife vermeiden, deren Auftreten in Abb. 3 erläutert wird.

Abb. 3. Masseschleife

Masseschleifen entstehen, wenn zwei Anschlüsse in einem Stromkreis an unterschiedlichen Potentialstellen verbunden werden. Dieser Unterschied führt zum Auftreten von zusätzlichem Strom in der Kommunikationsleitung, was zu Messfehlern führen kann.
Datenerfassungsisolation bezieht sich auf die elektrische Trennung der Signalquellenmasse von der Instrumenteneingangsverstärkermasse, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Da durch die Trennbarriere kein Strom fließen kann, liegen die Massepunkte von Verstärker und Signalquelle auf gleichem Potential. Dadurch wird die Möglichkeit ausgeschlossen, dass versehentlich eine Masseschleife entsteht.

Abb.4. Gleichtaktspannung und Signalspannung in einem isolierten Stromkreis

Die Isolierung verhindert auch eine Beschädigung des DAQ-Geräts bei Vorhandensein hoher Gleichtaktspannungen. Gleichtakt ist eine Spannung gleicher Polarität, die an beiden Eingängen eines Instrumentenverstärkers anliegt. Zum Beispiel in Abb.4. Sowohl der positive (+) als auch der negative (-) Eingang des Verstärkers haben eine Gleichtaktspannung von +14 V. Viele Datenerfassungsgeräte haben einen maximalen Eingangsbereich von ±10 V. Wenn das Datenerfassungsgerät nicht isoliert ist und die Gleichtaktspannung außerhalb des maximalen Eingangsbereichs liegt, könnten Sie das Gerät beschädigen. Obwohl die normale (Signal-)Spannung am Eingang des Verstärkers in Abb. 4 nur +2 V beträgt, kann das Hinzufügen von +14 V zu einer Spannung von +16 V führen
(Die Signalspannung ist die Spannung zwischen „+“ und „-“ des Verstärkers, die Betriebsspannung ist die Summe aus Normal- und Gleichtaktspannung), was für Geräte mit niedrigerer Betriebsspannung ein gefährlicher Spannungspegel ist.

Bei der Isolierung ist der gemeinsame Punkt des Verstärkers elektrisch von Masse Null getrennt. In der Schaltung in Abbildung 4 wird das Potential am gemeinsamen Punkt des Verstärkers auf +14 V "angehoben". Diese Technik bewirkt, dass der Eingangsspannungswert von 16 auf 2 V abfällt. Jetzt, wo Daten gesammelt werden, ist das Gerät kein Überspannungsrisiko mehr besteht. (Beachten Sie, dass Isolatoren eine maximale Gleichtaktspannung haben, die sie ablehnen können.)

Sobald der Datensammler isoliert und gesichert ist, besteht der letzte Schritt bei der Konfiguration der Stromschleife darin, eine geeignete Stromquelle auszuwählen.

Auswahl der Stromversorgung

Es ist einfach zu bestimmen, welches Netzteil Ihren Anforderungen am besten entspricht. Beim Betrieb in einer Stromschleife muss die Stromversorgung eine Spannung liefern, die gleich oder größer als die Summe der Spannungsabfälle an allen Elementen des Systems ist.

Das Datenerfassungsgerät in unserem Beispiel verwendet einen Präzisions-Shunt zur Strommessung.
Es ist notwendig, den Spannungsabfall über diesem Widerstand zu berechnen. Ein typischer Shunt-Widerstand hat einen Widerstandswert von 249 Ω. Grundlegende Berechnungen für Stromschleifenstrombereich 4 .. 20 mA
folgendes zeigen:

I*R=U
0,004 A * 249 Ω = 0,996 V
0,02 A * 249 Ω = 4,98 V

Mit einem 249 Ω Shunt können wir die Spannung im Bereich von 1 bis 5 V entfernen, indem wir den Spannungswert am Eingang des Datensammlers mit dem Wert des Ausgangssignals des Druckaufnehmers verknüpfen.
Wie bereits erwähnt, benötigt der Druckmessumformer eine minimale Betriebsspannung von 12 V bei maximal 30 V. Addiert man den Spannungsabfall am Präzisions-Shuntwiderstand zur Betriebsspannung des Messumformers ergibt sich:

12 V + 5 V = 17 V

Auf den ersten Blick reicht eine Spannung von 17 V. Allerdings muss die zusätzliche Belastung des Netzteils berücksichtigt werden, die durch Drähte mit elektrischem Widerstand entsteht.
In Fällen, in denen sich der Sensor weit von den Messgeräten entfernt befindet, müssen Sie den Drahtwiderstandsfaktor bei der Berechnung der Stromschleife berücksichtigen. Kupferdrähte haben einen Gleichstromwiderstand, der direkt proportional zu ihrer Länge ist. Bei dem Druckmessumformer in diesem Beispiel müssen Sie bei der Bestimmung der Betriebsspannung des Netzteils 2000 Fuß Leitungslänge berücksichtigen. Der lineare Widerstand eines einadrigen Kupferkabels beträgt 2,62 Ω/100 ft. Die Berücksichtigung dieses Widerstands ergibt Folgendes:

Der Widerstand eines 2000 Fuß langen Strangs beträgt 2000 * 2,62 / 100 = 52,4 m.
Der Spannungsabfall an einem Kern beträgt 0,02 * 52,4 = 1,048 V.
Um die Schaltung zu vervollständigen, werden zwei Drähte benötigt, dann wird die Länge der Kommunikationsleitung verdoppelt und
der gesamte Spannungsabfall wäre 2,096 V. Die Gesamtheit wäre etwa 2,1 V, da der Wandler 2000 Fuß von der Sekundärseite entfernt ist. Wenn wir die Spannungsabfälle an allen Elementen der Schaltung zusammenfassen, erhalten wir:
2,096 V + 12 V + 5 V = 19,096 V

Wenn Sie den betreffenden Schaltkreis mit 17 V versorgt haben, liegt die an den Drucktransmitter angelegte Spannung aufgrund des Abfalls des Drahtwiderstands und des Shunt-Widerstands unter der minimalen Betriebsspannung. Die Auswahl einer typischen 24-V-Stromversorgung erfüllt die Leistungsanforderungen des Wechselrichters. Zusätzlich gibt es einen Spannungsspielraum, um den Drucksensor weiter entfernt zu platzieren.

Mit der richtigen Wahl von Messumformer, Datenerfassungsgerät, Kabellängen und Stromversorgung ist das Design einer einfachen Stromschleife abgeschlossen. Für komplexere Anwendungen können Sie zusätzliche Messkanäle in das System einbinden.

Bei der Automatisierung technologischer Prozesse zur Steuerung von Mechanismen und Einheiten muss man sich mit Messungen verschiedener physikalischer Größen befassen. Dies können Temperatur, Druck und Durchfluss von Flüssigkeit oder Gas, Drehzahl, Lichtintensität, Informationen über die Position von Teilen von Mechanismen und vieles mehr sein. Diese Informationen werden mithilfe von Sensoren gewonnen. Hier zunächst über die Position der Teile der Mechanismen.

Diskrete Sensoren

Der einfachste Sensor ist ein herkömmlicher mechanischer Kontakt: Die Tür wird geöffnet - der Kontakt öffnet, geschlossen - er schließt. Solch ein einfacher Sensor, sowie der obige Algorithmus funktionieren oft. Für einen Mechanismus mit Translationsbewegung, der zwei Positionen hat, beispielsweise ein Wasserventil, benötigen Sie bereits zwei Kontakte: Ein Kontakt ist geschlossen - das Ventil ist geschlossen, der andere ist geschlossen - es ist geschlossen.

Ein komplexerer Translationsbewegungsalgorithmus hat einen Mechanismus zum Schließen der Form einer Spritzgießmaschine. Zunächst ist die Form geöffnet, dies ist die Ausgangsposition. In dieser Position werden fertige Produkte aus der Form entnommen. Als nächstes schließt der Werker den Schutzzaun und die Form beginnt sich zu schließen, ein neuer Arbeitszyklus beginnt.

Der Abstand zwischen den Hälften der Form ist ziemlich groß. Daher bewegt sich die Form zunächst schnell, und einige Zeit vor dem Schließen der Hälften wird der Endschalter ausgelöst, die Bewegungsgeschwindigkeit nimmt deutlich ab und die Form schließt sanft.

Ein solcher Algorithmus vermeidet Stöße beim Schließen der Form, ansonsten kann sie einfach in kleine Stücke zerlegt werden. Die gleiche Geschwindigkeitsänderung tritt auf, wenn die Form geöffnet wird. Hier sind zwei Kontaktsensoren unverzichtbar.

Daher sind kontaktbasierte Sensoren diskret oder binär, haben zwei Positionen, geschlossen - offen oder 1 und 0. Mit anderen Worten, Sie können sagen, ob ein Ereignis aufgetreten ist oder nicht. Im obigen Beispiel werden mehrere Punkte von den Kontakten "erwischt": der Beginn der Bewegung, der Verzögerungspunkt, das Ende der Bewegung.

In der Geometrie hat ein Punkt keine Dimensionen, nur ein Punkt und das war's. Es kann entweder sein (auf einem Blatt Papier, in der Flugbahn, wie in unserem Fall) oder es existiert einfach nicht. Daher werden diskrete Sensoren verwendet, um Punkte zu erfassen. Es kann sein, dass ein Vergleich mit einem Punkt hier nicht sehr geeignet ist, weil sie für praktische Zwecke die Genauigkeit eines diskreten Sensors verwenden, und diese Genauigkeit ist viel größer als ein geometrischer Punkt.

Aber an sich ist mechanischer Kontakt eine unzuverlässige Sache. Daher werden, wo immer möglich, mechanische Kontakte durch berührungslose Sensoren ersetzt. Die einfachste Möglichkeit sind Reedschalter: Der Magnet nähert sich, der Kontakt schließt. Die Genauigkeit des Reed-Schalter-Betriebs lässt zu wünschen übrig, solche Sensoren werden nur verwendet, um die Position der Türen zu bestimmen.

Eine komplexere und genauere Option sollten verschiedene berührungslose Sensoren sein. Wenn die Metallfahne in den Schlitz eindrang, funktionierte der Sensor. Als Beispiel für solche Sensoren können BVK-Sensoren (Proximity Limit Switch) verschiedener Baureihen genannt werden. Die Ansprechgenauigkeit (Hubdifferenz) solcher Sensoren beträgt 3 Millimeter.

Abbildung 1. Sensor der BVK-Serie

Die Versorgungsspannung der BVK-Sensoren beträgt 24 V, der Laststrom 200 mA, was völlig ausreicht, um Zwischenrelais zur weiteren Koordination mit dem Steuerkreis anzuschließen. So werden BVK-Sensoren in verschiedenen Geräten eingesetzt.

Neben BVK-Sensoren werden auch Sensoren der Typen BTP, KVP, PIP, KVD, PISCH verwendet. Jede Serie verfügt über mehrere Arten von Sensoren, die durch Nummern gekennzeichnet sind, z. B. BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Alle erwähnten Sensoren sind berührungslos diskret, ihr Hauptzweck ist es, die Position von Teilen von Mechanismen und Baugruppen zu bestimmen. Natürlich gibt es noch viel mehr dieser Sensoren, es ist unmöglich, sie alle in einem Artikel zu beschreiben. Noch gebräuchlicher und immer noch weit verbreitet sind verschiedene Kontaktsensoren.

Anwendung analoger Sensoren

Neben diskreten Sensoren sind analoge Sensoren in Automatisierungssystemen weit verbreitet. Ihr Zweck ist es, Informationen über verschiedene physikalische Größen zu erhalten, und zwar nicht einfach so allgemein, sondern in Echtzeit. Genauer gesagt, die Umwandlung einer physikalischen Größe (Druck, Temperatur, Beleuchtung, Durchfluss, Spannung, Strom) in ein elektrisches Signal, das über Kommunikationsleitungen an die Steuerung übertragen und weiterverarbeitet werden kann.

Analoge Sensoren befinden sich meist recht weit entfernt von der Steuerung, weshalb sie auch oft genannt werden Feldgeräte. Dieser Begriff wird häufig in der Fachliteratur verwendet.

Ein analoger Sensor besteht in der Regel aus mehreren Teilen. Der wichtigste Teil ist das empfindliche Element - Sensor. Seine Aufgabe ist es, den Messwert in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das vom Sensor empfangene Signal ist jedoch normalerweise klein. Um ein zur Verstärkung geeignetes Signal zu erhalten, wird der Sensor meistens in eine Brückenschaltung eingebunden - Wheatstone-Brücke.

Abbildung 2. Wheatstone-Brücke

Der ursprüngliche Zweck der Brückenschaltung besteht darin, den Widerstand genau zu messen. An die Diagonale der AD-Brücke ist eine DC-Quelle angeschlossen. An die andere Diagonale ist ein empfindliches Galvanometer mit Mittelpunkt angeschlossen, mit Null in der Mitte der Skala. Um den Widerstand des Widerstands Rx durch Drehen des Abstimmwiderstands R2 zu messen, sollte die Brücke abgeglichen werden, die Galvanometernadel sollte auf Null eingestellt werden.

Die Abweichung des Pfeils des Geräts in die eine oder andere Richtung ermöglicht es Ihnen, die Drehrichtung des Widerstands R2 zu bestimmen. Der Wert des gemessenen Widerstands wird durch die Skala in Kombination mit dem Griff des Widerstands R2 bestimmt. Die Gleichgewichtsbedingung für die Brücke ist die Gleichheit der Verhältnisse R1/R2 und Rx/R3. In diesem Fall ergibt sich zwischen den Punkten BC eine Potentialdifferenz von Null, und es fließt kein Strom durch das Galvanometer V.

Der Widerstandswert der Widerstände R1 und R3 ist sehr genau gewählt, ihre Streuung sollte minimal sein. Nur in diesem Fall verursacht selbst ein kleines Ungleichgewicht der Brücke eine ziemlich merkliche Änderung der Spannung der BC-Diagonale. Es ist diese Eigenschaft der Brücke, die verwendet wird, um empfindliche Elemente (Sensoren) verschiedener analoger Sensoren zu verbinden. Nun, dann ist alles einfach, eine Frage der Technik.

Zur Nutzung des vom Sensor empfangenen Signals ist dessen Weiterverarbeitung erforderlich, - Verstärkung und Umwandlung in ein zur Übertragung und Verarbeitung durch die Steuerschaltung geeignetes Ausgangssignal - Regler. Meistens ist das Ausgangssignal von analogen Sensoren Strom (analoge Stromschleife), seltener Spannung.

Warum aktuell? Tatsache ist, dass die Endstufen analoger Sensoren auf Stromquellen basieren. Dadurch können Sie den Einfluss des Widerstands der Verbindungsleitungen auf das Ausgangssignal beseitigen, um Verbindungsleitungen mit großer Länge zu verwenden.

Die weitere Transformation ist ganz einfach. Das Stromsignal wird in Spannung umgewandelt, wofür es ausreicht, den Strom durch einen Widerstand mit bekanntem Widerstand zu leiten. Der Spannungsabfall am Messwiderstand ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz U=I*R.

Bei einem Strom von 10 mA an einem 100-Ohm-Widerstand beträgt die Spannung beispielsweise 10 * 100 = 1000 mV, also ganze 1 Volt! Der Ausgangsstrom des Sensors hängt dabei nicht vom Widerstand der Anschlussdrähte ab. Natürlich in vernünftigen Grenzen.

Anschluss von analogen Sensoren

Die am Messwiderstand erhaltene Spannung lässt sich leicht in eine digitale Form umwandeln, die für die Eingabe in die Steuerung geeignet ist. Die Konvertierung ist damit abgeschlossen Analog-Digital-Wandler ADC.

Digitale Daten werden im seriellen oder parallelen Code an die Steuerung übertragen. Es hängt alles vom spezifischen Schaltschema ab. Ein vereinfachtes analoges Sensoranschlussdiagramm ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Anschließen eines analogen Sensors (zum Vergrößern auf das Bild klicken)

Aktuatoren sind mit der Steuerung verbunden, oder die Steuerung selbst ist mit einem Computer verbunden, der in dem Automatisierungssystem enthalten ist.

Analoge Sensoren haben selbstverständlich ein komplettes Design, dessen eines der Elemente ein Gehäuse mit Verbindungselementen ist. Als Beispiel zeigt Bild 4 das Aussehen des Überdrucksensors vom Typ Zond-10.

Abbildung 4. Überdrucksensor Zond-10

Unten am Sensor sieht man das Anschlussgewinde zum Anschluss an die Rohrleitung und rechts unter der schwarzen Abdeckung befindet sich ein Stecker zum Anschluss der Kommunikationsleitung an den Regler.

Die Verschraubung wird mit einer geglühten Kupferscheibe (im Lieferumfang des Sensors enthalten) abgedichtet, keinesfalls mit Klebeband oder Leinen. Dies geschieht, damit beim Einbau des Sensors das innenliegende Sensorelement nicht verformt wird.

Analoge Sensorausgänge

Gemäß den Normen gibt es drei Bereiche von Stromsignalen: 0…5mA, 0…20mA und 4…20mA. Was ist ihr Unterschied und welche Funktionen?

Meistens ist die Abhängigkeit des Ausgangsstroms direkt proportional zum Messwert, z. B. je höher der Druck in der Leitung, desto größer der Strom am Ausgang des Sensors. Obwohl manchmal eine umgekehrte Verbindung verwendet wird: Ein größerer Wert des Ausgangsstroms entspricht dem Mindestwert des Messwerts am Ausgang des Sensors. Es hängt alles von der Art des verwendeten Controllers ab. Einige Sensoren haben sogar eine Umschaltung von direktem auf inverses Signal.

Das Ausgangssignal im Bereich 0...5mA ist sehr klein und daher störanfällig. Wenn das Signal eines solchen Sensors bei konstantem Wert der gemessenen Größe schwankt, wird empfohlen, parallel zum Sensorausgang einen Kondensator mit einer Kapazität von 0,1 ... 1 μF zu installieren. Stabiler ist das Stromsignal im Bereich von 0…20mA.

Aber diese beiden Bereiche sind nicht gut, weil Null am Anfang der Skala es Ihnen nicht erlaubt, eindeutig zu bestimmen, was passiert ist. Oder hat das gemessene Signal tatsächlich einen Nullpegel angenommen, was prinzipiell möglich ist, oder ist einfach die Kommunikationsleitung unterbrochen? Daher versuchen sie, die Nutzung dieser Bereiche nach Möglichkeit zu verweigern.

Das Signal analoger Sensoren mit einem Ausgangsstrom im Bereich von 4 ... 20 mA gilt als zuverlässiger. Seine Störfestigkeit ist ziemlich hoch, und die untere Grenze liegt bei 4 mA, selbst wenn das gemessene Signal einen Nullpegel hat, was uns erlaubt zu sagen, dass die Kommunikationsleitung nicht unterbrochen ist.

Eine weitere gute Eigenschaft der 4 ... 20 mA-Reihe ist, dass die Sensoren mit nur zwei Drähten angeschlossen werden können, da der Sensor selbst von diesem Strom versorgt wird. Das ist sein Verbrauchsstrom und gleichzeitig ein Messsignal.

Die Stromversorgung für Sensoren im Bereich 4 ... 20 mA wird eingeschaltet, wie in Abbildung 5 gezeigt. Gleichzeitig haben Zond-10-Sensoren, wie viele andere, laut Pass einen weiten Versorgungsspannungsbereich von 10 ... 38V, obwohl sie am häufigsten mit einer Spannung von 24V verwendet werden.

Abbildung 5. Anschließen eines analogen Sensors mit einer externen Stromversorgung

Dieses Diagramm enthält die folgenden Elemente und Symbole. Rsh - Mess-Shunt-Widerstand, Rl1 und Rl2 - Widerstände der Kommunikationsleitung. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit sollte als Rsh ein Präzisionsmesswiderstand verwendet werden. Der Stromdurchgang von der Stromversorgung ist durch Pfeile dargestellt.

Es ist leicht zu erkennen, dass der Ausgangsstrom der Stromversorgung von der +24V-Klemme fließt, durch die Leitung Rl1 die Sensorklemme +AO2 erreicht, durch den Sensor fließt und durch den Sensorausgangskontakt - AO2, die Verbindungsleitung Rl2, die Der Widerstand Rsh kehrt zum -24-V-Stromversorgungsanschluss zurück. Alles, der Stromkreis ist geschlossen, der Strom fließt.

Enthält der Regler eine 24V Spannungsversorgung, so ist der Anschluss eines Sensors oder Messumformers gemäß dem Schema in Abbildung 6 möglich.

Abbildung 6. Anschließen eines analogen Sensors an eine Steuerung mit interner Stromversorgung

Dieses Diagramm zeigt ein weiteres Element - einen Ballastwiderstand Rb. Sein Zweck ist es, den Messwiderstand im Falle eines Kurzschlusses in der Kommunikationsleitung oder einer Fehlfunktion des analogen Sensors zu schützen. Die Installation eines Widerstands Rb ist optional, aber wünschenswert.

Der Stromausgang verfügt neben diversen Sensoren auch über Messumformer, die häufig in Automatisierungssystemen eingesetzt werden.

Messumformer- ein Gerät zum Umwandeln von Spannungspegeln, z. B. 220 V, oder Strom von mehreren zehn oder hundert Ampere in ein Stromsignal von 4 ... 20 mA. Hier wird einfach der Pegel des elektrischen Signals umgewandelt und nicht die Darstellung einer physikalischen Größe (Geschwindigkeit, Durchfluss, Druck) in elektrischer Form.

Aber die Sache reicht in der Regel nicht mit einem einzigen Sensor. Einige der beliebtesten Messungen sind Temperatur- und Druckmessungen. Die Anzahl solcher Punkte in der modernen Produktion kann mehrere Zehntausend erreichen. Dementsprechend groß ist auch die Anzahl der Sensoren. Daher werden meistens mehrere analoge Sensoren gleichzeitig an einen Controller angeschlossen. Natürlich nicht mehrere Tausend auf einmal, gut wenn ein Dutzend anders ist. Eine solche Verbindung ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Anschließen mehrerer analoger Sensoren an die Steuerung

Diese Abbildung zeigt, wie aus einem Stromsignal eine Spannung gewonnen wird, die sich zur Umwandlung in einen digitalen Code eignet. Wenn es mehrere solcher Signale gibt, dann werden sie nicht alle auf einmal verarbeitet, sondern zeitlich getrennt, gemultiplext, sonst müsste auf jedem Kanal ein eigener ADC installiert werden.

Zu diesem Zweck weist die Steuerung einen Leitungsschaltkreis auf. Das Funktionsdiagramm des Schalters ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8. Analoger Sensorkanalschalter (anklickbares Bild)

Die über den Messwiderstand (UR1…URn) in Spannung umgewandelten Stromschleifensignale werden dem Eingang des Analogschalters zugeführt. Die Steuersignale führen abwechselnd eines der Signale UR1…URn zum Ausgang, die vom Verstärker verstärkt werden, und werden abwechselnd dem Eingang des ADC zugeführt. Die in einen digitalen Code umgewandelte Spannung wird der Steuerung zugeführt.

Das Schema ist natürlich sehr vereinfacht, aber es ist durchaus möglich, das Prinzip des Multiplexens darin zu berücksichtigen. Ungefähr so ist das Modul zur Eingabe analoger Signale von MCTS-Controllern (Mikroprozessorsystem technischer Mittel) aufgebaut, das vom Smolensker PC "Prolog" hergestellt wird. Das Aussehen des MCTS-Controllers ist in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9. MSTS-Controller

Die Veröffentlichung solcher Controller wurde lange eingestellt, obwohl diese Controller an manchen Orten, bei weitem nicht die besten, immer noch im Einsatz sind. Diese Museumsexponate werden durch Steuergeräte neuer Modelle ersetzt, hauptsächlich aus importierter (chinesischer) Produktion.

Wenn der Regler in einem Metallschrank montiert wird, wird empfohlen, die Schirmgeflechte mit dem Erdungspunkt des Schranks zu verbinden. Die Länge der Verbindungsleitungen kann mehr als zwei Kilometer betragen, was mit den entsprechenden Formeln berechnet wird. Wir werden hier nichts zählen, glauben aber, dass dies so ist.

Neue Sensoren, neue Controller

Mit dem Aufkommen neuer Controller neue analoge Messumformer mit HART-Protokoll(Autobahnadressierbarer Ferngeber)

Das Ausgangssignal des Sensors (Feldgerät) ist ein analoges Stromsignal im Bereich von 4 ... 20 mA, dem ein frequenzmoduliertes (FSK - Frequency Shift Keying) digitales Kommunikationssignal überlagert ist.

Abbildung 10. Ausgang des analogen HART-Messumformers

Die Abbildung zeigt ein analoges Signal, um das sich eine Sinuskurve wie eine Schlange windet. Dies ist das frequenzmodulierte Signal. Aber das ist überhaupt kein digitales Signal, es muss noch erkannt werden. In der Abbildung fällt auf, dass die Frequenz der Sinuskurve beim Senden einer logischen Null höher ist (2,2 kHz) als beim Senden einer Eins (1,2 kHz). Die Übertragung dieser Signale erfolgt durch einen Strom mit einer Amplitude von ± 0,5 mA in Sinusform.

Es ist bekannt, dass der Mittelwert des Sinussignals gleich Null ist, daher beeinflusst die Übertragung digitaler Informationen den Ausgangsstrom des Sensors 4 ... 20 mA nicht. Dieser Modus wird beim Konfigurieren von Sensoren verwendet.

Die HART-Kommunikation findet auf zwei Arten statt. Im ersten Fall, dem Standard, können nur zwei Geräte über eine Zweidrahtleitung Informationen austauschen, während das ausgegebene Analogsignal 4 ... 20mA vom Messwert abhängt. Dieser Modus wird beim Konfigurieren von Feldgeräten (Sensoren) verwendet.

Im zweiten Fall können bis zu 15 Sensoren an eine Zweidrahtleitung angeschlossen werden, deren Anzahl durch die Parameter der Kommunikationsleitung und die Leistung der Stromversorgung bestimmt wird. Dies ist der Multipoint-Modus. In diesem Modus hat jeder Sensor eine eigene Adresse im Bereich 1…15, unter der das Steuergerät auf ihn zugreift.

Der Sensor mit der Adresse 0 wird von der Kommunikationsleitung getrennt. Der Datenaustausch zwischen dem Sensor und dem Steuergerät im Multipoint-Modus erfolgt nur über ein Frequenzsignal. Das Stromsignal des Sensors wird auf den erforderlichen Pegel fixiert und ändert sich nicht.

Im Fall der Mehrpunktkommunikation bedeuten Daten nicht nur die tatsächlichen Ergebnisse von Messungen des gesteuerten Parameters, sondern auch eine ganze Reihe von Dienstinformationen aller Art.

Das sind zunächst die Adressen von Sensoren, Steuerbefehle, Einstellungen. Und all diese Informationen werden über zweiadrige Kommunikationsleitungen übertragen. Kann man sie auch loswerden? Allerdings muss dies nur in Fällen sorgfältig durchgeführt werden, in denen die drahtlose Verbindung die Sicherheit des gesteuerten Prozesses nicht beeinträchtigen kann.

Es stellt sich heraus, dass Sie die Drähte loswerden können. Bereits 2007 wurde der WirelessHART-Standard veröffentlicht, das Übertragungsmedium ist die lizenzfreie Frequenz von 2,4 GHz, auf der viele drahtlose Computergeräte arbeiten, einschließlich drahtloser lokaler Netzwerke. Daher können auch WirelessHART-Geräte uneingeschränkt verwendet werden. Abbildung 11 zeigt ein WirelessHART-Netzwerk.

Abbildung 11. WirelessHART-Netzwerk

Dies sind die Technologien, die die alte analoge Stromschleife ersetzt haben. Aber es gibt seine Positionen auch nicht auf, es wird überall dort eingesetzt, wo es möglich ist.

Anschließen des Stromsensors an den Mikrocontroller

Nachdem wir uns mit den Grundlagen der Theorie vertraut gemacht haben, können wir uns dem Thema Lesen, Transformieren und Visualisieren von Daten zuwenden. Mit anderen Worten, wir werden einen einfachen Gleichstromzähler entwerfen.

Der analoge Ausgang des Sensors ist mit einem der ADC-Kanäle des Mikrocontrollers verbunden. Alle notwendigen Transformationen und Berechnungen werden im Mikrocontrollerprogramm implementiert. Zur Anzeige von Daten wird eine 2-zeilige LCD-Anzeige verwendet.

Experimentelles Schema

Für Experimente mit einem Stromsensor ist es notwendig, die Struktur gemäß dem in Abbildung 8 gezeigten Diagramm zusammenzubauen. Dazu verwendete der Autor ein Steckbrett und ein Modul, das auf einem Mikrocontroller basiert (Abbildung 9).

Das Stromsensormodul ACS712-05B kann vorgefertigt gekauft werden (es wird sehr günstig bei eBay verkauft) oder Sie können es selbst herstellen. Die Kapazität des Filterkondensators wird gleich 1 nF gewählt, am Netzteil ist ein Sperrkondensator von 0,1 μF installiert. Zur Anzeige des Einschaltens ist eine LED mit Löschwiderstand eingelötet. Die Spannungsversorgung und das Ausgangssignal des Sensors werden am Stecker auf der einen Seite der Modulplatine angeschlossen, der 2-polige Stecker zur Messung des fließenden Stroms befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite.

Für Versuche zur Strommessung schließen wir eine einstellbare Konstantspannungsquelle über einen Vorwiderstand 2,7 Ohm / 2 W an die Strommessklemmen des Sensors an. Der Sensorausgang wird mit dem RA0/AN0-Port (Pin 17) des Mikrocontrollers verbunden. Eine zweizeilige LCD-Zeichenanzeige ist mit Port B des Mikrocontrollers verbunden und arbeitet im 4-Bit-Modus.

Der Mikrocontroller wird mit +5 V versorgt, die gleiche Spannung wird als Referenz für den ADC verwendet. Die notwendigen Berechnungen und Transformationen werden im Mikrocontrollerprogramm implementiert.

Die im Konvertierungsprozess verwendeten mathematischen Ausdrücke sind unten aufgeführt.

Stromsensorempfindlichkeit Sens = 0,185 V/A. Bei einer Versorgung Vcc = 5 V und einer Referenzspannung Vref = 5 V sind die berechneten Verhältnisse wie folgt:

ADC-Ausgangscode

Folglich

Als Ergebnis lautet die Formel zur Berechnung des Stroms wie folgt:

Wichtiger Hinweis. Die obigen Beziehungen basieren auf der Annahme, dass die Versorgungsspannung und die Referenzspannung für den ADC 5 V betragen. Der letzte Ausdruck, der den Strom I und den ADC-Ausgangscode Count betrifft, bleibt jedoch auch bei Schwankungen in der Versorgungsspannung gültig. Dies wurde im theoretischen Teil der Beschreibung diskutiert.

Aus dem letzten Ausdruck ist ersichtlich, dass die aktuelle Auflösung des Sensors 26,4 mA beträgt, was 513 ADC-Samples entspricht, was das erwartete Ergebnis um ein Sample übersteigt. Daraus können wir schließen, dass diese Implementierung keine Messung kleiner Ströme erlaubt. Um die Auflösung und die Empfindlichkeit beim Messen niedriger Ströme zu erhöhen, müssen Sie einen Operationsverstärker verwenden. Ein Beispiel für eine solche Schaltung ist in Abbildung 10 dargestellt.

Mikrocontroller Programm

Das Mikrocontroller-Programm PIC16F1847 ist in C geschrieben und in der mikroC Pro-Umgebung (mikroElektronika) kompiliert. Die Messergebnisse werden auf einem zweizeiligen LCD-Display mit einer Genauigkeit von zwei Dezimalstellen angezeigt.

Ausgabe

Bei einem Eingangsstrom von Null sollte die Ausgangsspannung des ACS712 idealerweise genau Vcc/2 sein, d. h. Aus dem ADC soll die Zahl 512 gelesen werden Eine Drift der Ausgangsspannung des Sensors um 4,9 mV bewirkt eine Verschiebung des Wandlungsergebnisses um 1 LSB des ADC (Abbildung 11). (Für Vref = 5,0 V wäre die Auflösung eines 10-Bit-ADC 5/1024 = 4,9 mV), was 26 mA Eingangsstrom entspricht. Beachten Sie, dass es wünschenswert ist, mehrere Messungen durchzuführen und dann ihre Ergebnisse zu mitteln, um die Auswirkung von Schwankungen zu verringern.

Wenn die Ausgangsspannung des geregelten Netzteils auf 1 V eingestellt ist, durch
Der Widerstand muss einen Strom von ca. 370 mA führen. Der gemessene Stromwert im Experiment beträgt 390 mA, was das korrekte Ergebnis um eine Einheit des LSB des ADC übersteigt (Abbildung 12).


Abbildung 12.

Bei einer Spannung von 2 V zeigt die Anzeige 760 mA an.

Damit ist unsere Diskussion des Stromsensors ACS712 abgeschlossen. Ein weiteres Thema haben wir jedoch nicht angesprochen. Wie misst man mit diesem Sensor Wechselstrom? Denken Sie daran, dass der Sensor eine sofortige Antwort liefert, die dem Strom entspricht, der durch die Messleitungen fließt. Fließt der Strom in positiver Richtung (von Pin 1 und 2 zu Pin 3 und 4), ist die Empfindlichkeit des Sensors positiv und die Ausgangsspannung größer als Vcc/2. Wenn sich der Strom umkehrt, wird die Empfindlichkeit negativ und die Sensorausgangsspannung fällt unter Vcc/2. Das bedeutet, dass beim Messen eines AC-Signals der ADC des Mikrocontrollers schnell genug abtasten muss, um den RMS-Strom berechnen zu können.

Downloads

Der Quellcode des Mikrocontroller-Programms und die Datei für die Firmware -

Diskrete Sensoren

Anwendung analoger Sensoren

Abbildung 2. Wheatstone-Brücke

Anschluss von analogen Sensoren

Analoge Sensorausgänge

Abbildung 7. Anschließen mehrerer analoger Sensoren an die Steuerung

Zu diesem Zweck weist die Steuerung einen Leitungsschaltkreis auf. Das Funktionsdiagramm des Schalters ist in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8. Analoger Sensorkanalschalter (anklickbares Bild)

Neue Sensoren, neue Controller

Mit dem Aufkommen neuer Steuerungen sind auch neue analoge Sensoren aufgetaucht, die mit dem HART-Protokoll (Highway Addressable Remote Transducer) arbeiten, was übersetzt „über den Trunk fernadressierter Messumformer“ bedeutet.

Im Fall der Mehrpunktkommunikation bedeuten Daten nicht nur die tatsächlichen Ergebnisse von Messungen des gesteuerten Parameters, sondern auch eine ganze Reihe von Dienstinformationen aller Art.

Dies sind die Technologien, die die alte analoge Stromschleife ersetzt haben. Aber es gibt seine Positionen auch nicht auf, es wird überall dort eingesetzt, wo es möglich ist.

Diskrete Sensoren

Der einfachste Sensor ist ein herkömmlicher mechanischer Kontakt: Die Tür wird geöffnet - der Kontakt öffnet, geschlossen - er schließt. Ein solcher einfacher Sensor sowie der obige Betriebsalgorithmus werden häufig bei Einbruchalarmen verwendet. Für einen Mechanismus mit Translationsbewegung, der zwei Positionen hat, beispielsweise ein Wasserventil, benötigen Sie bereits zwei Kontakte: Ein Kontakt ist geschlossen - das Ventil ist geschlossen, der andere ist geschlossen - es ist geschlossen.

Sensor der BVK-Serie

Abbildung 1. Sensor der BVK-Serie

Anwendung analoger Sensoren

Analoge Sensoren befinden sich meist recht weit entfernt von der Steuerung, weshalb sie oft als Feldgeräte bezeichnet werden. Dieser Begriff wird häufig in der Fachliteratur verwendet.

Ein analoger Sensor besteht in der Regel aus mehreren Teilen. Der wichtigste Teil ist das empfindliche Element - der Sensor. Seine Aufgabe ist es, den Messwert in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das vom Sensor empfangene Signal ist jedoch normalerweise klein. Um ein für die Verstärkung geeignetes Signal zu erhalten, ist der Sensor meistens in einer Brückenschaltung enthalten - einer Wheatstone-Brücke.

Wheatstone-Brücke

Abbildung 2. Wheatstone-Brücke

Um das vom Sensor empfangene Signal zu verwenden, ist seine weitere Verarbeitung erforderlich - Verstärkung und Umwandlung in ein Ausgangssignal, das für die Übertragung und Verarbeitung durch den Steuerkreis - die Steuerung - geeignet ist. Meistens ist das Ausgangssignal von analogen Sensoren Strom (analoge Stromschleife), seltener Spannung.

Anschluss von analogen Sensoren

Die am Messwiderstand erhaltene Spannung lässt sich leicht in eine digitale Form umwandeln, die für die Eingabe in die Steuerung geeignet ist. Die Umwandlung wird unter Verwendung von ADC-Analog-Digital-Wandlern durchgeführt.

Anschließen eines analogen Sensors

Abbildung 3. Anschließen eines analogen Sensors (zum Vergrößern auf das Bild klicken)

Aktuatoren sind mit der Steuerung verbunden, oder die Steuerung selbst ist mit einem Computer verbunden, der in dem Automatisierungssystem enthalten ist.

Überdrucksensor Zond-10

Abbildung 4. Überdrucksensor Zond-10

Analoge Sensorausgänge

Gemäß den Normen gibt es drei Bereiche von Stromsignalen: 0…5mA, 0…20mA und 4…20mA. Was ist ihr Unterschied und welche Funktionen?

Die Stromversorgung für Sensoren im Bereich 4 ... 20 mA wird eingeschaltet, wie in Abbildung 5 gezeigt. Gleichzeitig haben Zond-10-Sensoren, wie viele andere, laut Pass einen weiten Versorgungsspannungsbereich von 10 ... 38V, obwohl am häufigsten stabilisierte Quellen mit einer Spannung von 24V verwendet werden.

Anschließen eines analogen Sensors mit externer Stromversorgung

Abbildung 5. Anschließen eines analogen Sensors mit einer externen Stromversorgung

Enthält der Regler eine 24V Spannungsversorgung, so ist der Anschluss eines Sensors oder Messumformers gemäß dem Schema in Abbildung 6 möglich.

Anschließen eines analogen Sensors an eine Steuerung mit interner Stromversorgung

Abbildung 6. Anschließen eines analogen Sensors an eine Steuerung mit interner Stromversorgung

Der Stromausgang verfügt neben diversen Sensoren auch über Messumformer, die häufig in Automatisierungssystemen eingesetzt werden.

Ein Messumformer ist ein Gerät zur Umwandlung von Spannungspegeln, beispielsweise 220 V, oder Strömen von mehreren zehn oder hundert Ampere in ein Stromsignal von 4 ... 20 mA. Hier wird einfach der Pegel des elektrischen Signals umgewandelt und nicht die Darstellung einer physikalischen Größe (Geschwindigkeit, Durchfluss, Druck) in elektrischer Form.

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