Интерфейсные схемы датчиков.

 

1.5.1. Электронные устройства интерфейсных схем датчиков.

 

Если датчик не оснащен встроенной электронной схемой формирующей выходной сигнал в определенном формате, его практически никогда не удается напрямую подключить к процессору, монитору или другой регистрирующей аппаратуре. Обычно сигнал на выходе датчика бывает либо слишком зашумленным, либо очень слабым, либо содержит нежелательные составляющие. В дополнение к этому его формат может не соответствовать формату системы приема данных. Для подключения датчика к процессорному устройству, как правило, требуется промежуточное согласующее устройство. Выходной сигнал необходимо преобразовать к определенному виду перед тем как подать в устройство обработки данных. Для нагрузки входным сигналом обычно является либо ток, либо напряжение. Схема согласования сигналов часто называется интерфейсом между датчиком и последующими устройствами. Ее основная цель - преобразование сигнала датчика в формат, совместимый с нагрузкой. На рис. 21 показан внешний сигнал, действующий на датчик, подключенный к нагрузке через интерфейсную схему. Для эффективной работы интерфейса его входные характеристики должны быть совместимы с выходными параметрами датчика, а выходные - с входным форма
том нагрузки. [4]

Рисунок 21 - Интерфейсная схема согласует форматы сигналов датчика и нагрузочного устройства

Входная часть интерфейсной схемы характеризуется несколькими стандартными параметрами, показывающими, насколько точно схема может преобразовать сигнал датчика и какой вклад она внесет в общую погрешность.

Входной импеданс показывает, насколько сильно интерфейс нагружает датчик. Он определяется в комплексном виде:

где V и I - комплексные числа, соответствующие напряжению и току через входной импеданс.

Если входную часть интерфейсной схемы представить в виде параллельного соединения входного сопротивления R и входной емкости С, то входной импеданс в комплексном виде можно записать как:

где ω – круговая частота.

На очень низких частотах схема обладает относительно небольшой входной емкостью, и ее входной импеданс определяется сопротивлением R, поэтому можно считать, что в этом случае Z≈R. Следовательно, реактивная часть уравнения становится очень маленькой, т.е. выполняется следующее соотношение:

1.5.2. Передача аналоговых сигналов датчиков.

 

Выходное сопротивление, соответствующее выходному импедансу датчика, подключаются параллельно сопротивлению, характеризующему входной импеданс электронной схемы Z, (потенциальное соединение) или последовательно с ним (токовое соединение). Оба варианта соединений показаны на рис. 22. Обычно входные и выходные импедансы представляются в комплексном виде, поскольку они, как правило, включают в себя активные и реактивные компоненты. Для минимизации искажений выходного сигнала датчик с токовым выходом (рис. 22 Б) должен иметь максимально возможный выходной импеданс, а его интерфейсная схема — минимальный входной импеданс. В случае потенциального соединения (рис. 22 А) датчику следует иметь низкий выходной импеданс, а интерфейсной схеме — высокий входной.

Рис. 22. Соединение датчика с интерфейсной схемой

а — датчик с выходным сигналом в виде напряжения, б — датчик с токовым выходом

Сигнал от датчика может передаваться в устройство обработки данных либо в цифровом, либо в аналоговом виде. На практике чаще используется цифровая передача данных. Для выполнения этого желательно датчик совмещать с АЦП. Передача данных в цифровом коде имеет ряд достоинств, самым главным из них является высокая помехозащищенность. В некоторых случаях, когда цифровые методы применятся не могут, используются аналоговые способы передачи. В зависимости от типа соединений они могут быть разделены на двух-, четырех- и шестипроводные способы передачи.

Двухпроводные аналоговые передатчики используются для сопряжения датчиков с управляющими и регистрирующими устройствами в промышленных системах управления технологическими процессами. Например, при измерении темпера­туры в какой-либо точке системы двухпроводной передатчик доставляет получен­ные данные либо на управляющий контроллер, либо в пультовую комнату, где про­исходит наблюдение за процессом. По двухпроводной линии можно передавать как напряжение, так и ток. В качестве промышленного стандарта выбран ток, изменяющийся в пределах 4...20 мА, который позволяет отображать весь диа­пазон внешних сигналов: 4 мА соответствует нулевому внешнему сигналу; 20 мА – максимальному. В схеме связь между датчиком и контроллером осуществляется при помощи двух проводов. Для этого на выход датчика подключается так называемый двухпроводной передатчик, в роли которого может выступать преобразователь на­пряжения в ток, конвертирующий сигнал датчика в ток. Cо стороны контроллера подсоединяется источник напряжения, обеспечивающий передачу тока до 20 мА. Таким образом формируется токовая петля, состоящая из датчика, передатчика, источника питания и сопротивления нагрузки, включенного последовательно с ним. При изменении сигнала датчика меняется и выходное сопротивление пере­датчика, что приводит к модуляции тока в диапазоне 4...20 мА. Тот же самый ток, несущий информацию, используется для питания передатчика и датчика. Посколь­ку минимальный ток в цепи равен 4 мА, его хватает для поддержания работы этих устройств. Ток, текущий в контуре, приводит к падению напряжения на сопротив­лении нагрузки, расположенном со стороны контроллера Это падение напряже­ния является информационным сигналом, используемым для дальнейшей
обра­ботки.

Рис. 23. Двухпроводной способ передачи аналоговых данных

На практике часто бывают ситуации, когда резистивный датчик необходимо под­ключать к удаленной интерфейсной схеме. Если датчик обладает относи­тельно низким сопротивлением (например, сопротивление пьезорезисторов и ре-зистивных датчиков температуры обычно составляет порядка 100 Ом), сопротивле­ние соединительных проводов может привести к серьезным проблемам.

Так как оно влияет на напряжение возбуждения, поданное на мостовую схему. Эта проблема решается применением четырехпроводного метода подключения, который позволяет измерять сопротивление удаленного резистора без учета сопротивления соединительных проводов. Измеряемое сопротивление подключается к интерфейсной схеме при помощи четырех проводов: два провода подсоединяются к источнику тока, а два оставшихся провода — к вольтметру.

Рис. 24. Дистанционное измерение сопротивлений – четырёхпроводной метод, Б – шестипроводной метод, применяемый с мостовыми схемами

Источник постоянного тока имеет очень высокое выходное сопротивление, поэтому ток в цепи практически не зависит от сопротивлений в контуре. Вольтметр имеет очень высокий входной импеданс, поэтому ток из токового контура к нему не течет. Падение напряжения на резисторе R_x  равно:

Напряжение V_x не зависит от сопротивления соединительных проводов. Четырехпроводный метод передачи данных является удобным средством измерения сопротивления удаленных датчиков, часто используемым в промыш­ленных АСУТП и научных исследованиях.

При удаленном подключении моста Уитстона для поддержания температурной стабильности необходимо следить за напряжением возбуждения, питающего его. Длинные соединительные провода могут внести слишком большое последовательное сопротивление в цепь возбуждения, что скажется на работе компенсационных схем. Эту проблему можно решить при помощи двух дополни­тельных проводов, питающих мостовую схему напряжением, и двух выделенных проводов для измерения напряжения в диагонали моста.

 Вольтметр, имеющий высокий входной импеданс и незначительный входной ток, служит для измерения действующего напряжения возбуждения, поданного на мост, и дифференциального выходного напряжения моста При шестипроводном способе подключения (рис. 25) исключается влияние сопротивления соединительных проводов. [4,6]

 

Рис. 25. Дистанционное измерение сопротивлений – шестипроводной метод, применяемый с мостовыми схемами