Преобразователь сигнала датчика температуры

Нормирующие преобразователи сигналов

Роль и место нормирующих преобразователей в современных контрольно-измерительных и управляющих системах

В структуре как локальных, так и распределенных систем измерения, контроля и управления при всем их многообразии всегда присутствуют два обязательных базисных уровня:

Уровень 1: Технологический процесс. Объект автоматизации. Датчики и исполнительные устройства.

Уровень 2: Управление. Контроллеры. Регуляторы. Измерители.

Наличие и состав других уровней в значительной степени зависит от масштаба и назначения систем. В рамках данной статьи эти уровни не рассматриваются.

Итак, базисом любой автоматизации является технологический процесс с его многообразием параметров. Собственно измерение технологических параметров и управление ими в соответствии с требованиями технологических регламентов является основной задачей автоматизации.

На первом уровне находятся все первичные датчики и органы управления, необходимые для измерения и для изменения параметров. Состав датчиков и органов управления, их характеристики определяются, прежде всего, требованиями технологического процесса, поэтому для разных технологических процессов они неодинаковы.

На втором уровне находятся различные контрольно-измерительные приборы. регуляторы. программируемые контроллеры. Несмотря на разнообразие технологических процессов, технические средства на втором уровне в значительной степени унифицированы.

Таким образом, между первым и вторым уровнями происходит интенсивный обмен данными: измеренные данные о параметрах и состояниях процесса и оборудования передаются в одном направлении и сигналы управления — в обратном. Обобщенно это именуется СБОРОМ и ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ о параметрах и состояниях процесса и технологических переменных. Самый простой подход к СБОРУ И ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ заключается в том, чтобы передавать сигналы непосредственно с датчиков на первом уровне к вторичным измерительным и управляющим приборам на втором уровне. Но такой подход часто оказывается не самым лучшим по целому ряду причин. Сформулируем обстоятельства, которые препятствуют применению такого подхода.

Во-первых, как правило, большинство датчиков и исполнительных механизмов, расположенных на технологической установке, удалены на значительные расстояния от вторичных средств контроля и управления. Именно удаленность датчиков от вторичных приборов порождает ряд негативных факторов:

• в промышленных условиях длинные кабельные линии, как антенны, собирают «весь электромагнитный мусор», в результате электромагнитные помехи искажают слабый передаваемый сигнал;
• сами длинные кабельные линии вносят искажение в схему измерения первичным датчиком и в передаваемый сигнал, поскольку представляют собой дополнительные неконтролируемые распределенные сопротивления, емкости и индуктивности;
• удаленные датчики находятся под разными потенциалами даже в том случае, когда считаются заземленными, поэтому объединение сигналов от таких разнопотенциальных датчиков в одной измерительной системе имеет, как правило, негативные последствия;
• стоимость длинных кабельных линий может составлять значительную долю стоимости всей системы.

Во-вторых, разнообразие типов сигналов от первичных датчиков вступает в противоречие с принципом унификации сигналов на втором уровне средств измерения, контроля и управления. Унификация позволяет использовать более дешевые многоканальные системы измерения (многоканальные АЦП, которые, как правило, имеют только групповую гальваническую изоляцию), а также исключить дополнительную обработку сигналов, которая требуется при работе непосредственно с первичными датчиками. Таким образом, унификация сигналов равнозначна простоте, дешевизне и эффективности решений на втором уровне.

Наконец, в-третьих, несмотря на общее стремление к унификации сигналов на втором уровне, парк контрольно-измерительных и управляющих средств, а также исполнительных устройств использует хоть и унифицированные, но разные сигналы. Например, регулятор имеет токовый выход 4..20 мА, а исполнительное устройство управляется сигналом 0…10 В. Или датчик уровня имеет выходной сигнал 0…5 В, а контроль воспринимает только 4…20 мА. Особенно ярко такое разнообразие унифицированных сигналов проявляется при использовании устаревшего оборудования и оборудования от различных производителей.

Поэтому часто более предпочтительным решением является введение между первичным датчиком и вторичным прибором так называемого нормирующего преобразователя сигнала в унифицированные сигналы. Если говорить более широко, унифицированные сигналы применяются не только для связи с первичными датчиками, но и для связи между собой других устройств промышленной автоматики: регистраторов, регуляторов, контроллеров и исполнительных устройств. Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011-80. Стандарт устанавливает допустимые диапазоны унифицированных сигналов, а также вводит ограничения на величину сопротивлений источников и приемников этих сигналов. И хотя в ряду унифицированных сигналов есть сигналы напряжения 0…1, 0…10В и сигналы тока 0…5, 0…20, 4…20 мА, самым распространенным сигналом в современных системах является ток 4…20 мА.

Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами:

• на передачу токовых сигналов не оказывает влияние сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов (а значит, и к стоимости) снижаются;
• токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения;
• обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА);
• токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя – минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.

Итак, занимая промежуточное положение между указанными ранее двумя базисными уровнями в структуре системы, нормирующие преобразователи сигналов :

• реализуют метод измерения электрического параметра с первичного датчика;
• усиливают слабые сигналы первичных датчиков;
• линеаризуют при необходимости нелинейные характеристики первичных датчиков;
• осуществляют термокомпенсацию, если первичный датчик подвержен сильному влиянию температуры, как, например, в случае с термопарами (компенсация влияния «холодных» спаев ) и емкостными датчиками влажности;
• осуществляют преобразование в унифицированный токовый сигнал 4-20 мА (или в иные унифицированные сигналы);
• ослабляют влияние электромагнитных помех;
• ослабляют погрешности, связанные с влиянием сопротивления соединительных линий и с влиянием нестабильности источника питания датчика;
• позволяют экономить финансовые ресурсы за счет снижения стоимости соединительных линий, а также за счет применения более дешевых многоканальных измерительных систем на втором уровне;
• позволяют унифицировать сигналы, используемые для передачи данных и обрабатываемые вторичными средствами измерения.

Представленный перечень задач нельзя считать полным. Приведем еще две задачи, которые не связаны с применением первичных датчиков, но также предполагают использование нормирующих преобразователей.

Несмотря на общее стремление к унификации сигналов на втором уровне, контрольно-измерительные и управляющие средства, а также исполнительные устройства могут использовать хоть и унифицированные, но разные сигналы. Например, регулятор имеет токовый выход 4..20 мА, а исполнительное устройство управляется сигналом 0…10 В. Или датчик уровня имеет выходной сигнал 0…5 мА, а регулятор воспринимает только 4…20 мА. Особенно ярко такое разнообразие унифицированных сигналов проявляется при использовании устаревшего оборудования. Таким образом, нормирующие преобразователи призваны еще преобразовывать одни унифицированные сигналы в другие.

До сих пор мы говорили о датчиках со слабыми сигналами. Но есть задачи, когда нужно измерять, напротив, большие сигналы, например, сетевое напряжение или ток нагрузки в силовых цепях. Здесь также применяются нормирующие преобразователи.

Приведенные соображения делают применение нормирующих преобразователей сигналов весьма привлекательным.

Перечислим характеристики и параметры, по которым следует оценивать и сравнивать между собой нормирующие преобразователи.

• основная погрешность преобразования

Погрешность на уровне 0,1% является для современных нормирующих измерительных преобразователей стандартом де факто, хотя на рынке широко представлены преобразователи (особенно отечественного производства) с погрешностями 0,25 и 0,5%.

• стабильность метрологических характеристик при изменении температуры эксплуатации, сопротивлений нагрузки, которая характеризуется соответствующими дополнительными погрешностями
• типы и диапазоны входных и выходных сигналов

Эти свойства диктуются прежде всего областью применения (назначением) преобразователя, сами же типы и диапазоны преобразования обычно стандартизированы.

• подавление помех с частотой 50 Гц общего и нормального вида, а также устойчивость к электромагнитным воздействиями (микро- и наносекундные импульсы, статическое электричество и проч.).

Этот параметр, который характеризует способность преобразователя работать в сложных промышленных условиях.

• наличие гальванической изоляции и напряжение гальванической изоляции

Гальваническая изоляция, с одной стороны, позволяет работать с датчиками, находящимися под разными потенциалами, а с другой, служит защитой измерительных систем от электромагнитных воздействий, вызванных разрядами молний, сваркой и проч.

• выполняемые функции (индикация, сигнализация, обнаружение аварийных ситуаций и проч.), возможность изменять функции пользователем путем программирования
• параметры электропитания и их влияние на точность преобразования
• конструктивное исполнение

В дополнение к указанным параметрам следует особо упомянуть исполнение преобразователей для применения во взрывоопасных условиях.

Конструктивные исполнения нормирующих преобразователей сигналов

Анализируя задачи, которые призваны решать нормирующие преобразователи, становится понятным, что нормирующие преобразователи желательно размещать как можно ближе к первичным датчикам. Идеальным можно считать решение, когда датчик и преобразователь размещены в едином конструктиве. Анализ современных датчиков показывает, что большинство производителей так и делают. Практически все датчики давления, веса, расхода, влажности, уровня, концентрации газа и т.п. имеют встроенный нормирующий преобразователь. Датчики температуры имеют встроенный преобразователь реже, но и в этом сегменте датчиков общая тенденция сохраняется. Во всех этих случаях нормирующий преобразователь реализует метод измерения первичного датчика, выполняет нелинейные преобразования, термокомпенсацию, усиление сигнала. В результате связь со вторым уровнем осуществляется уже унифицированным сигналом.

По-видимому, единственное ограничение, которое может препятствовать размещению преобразователя в едином конструктиве с датчиком, связано только особыми условиями эксплуатации, недопустимыми для электронных устройств. Прежде всего, это такие факторы как температура, химически активные среды, взрывоопасные среды, вибрация, рентгеновское излучение и проч.

Очень распространенным является конструктивное исполнение, рассчитанное на монтаж на стандартный DIN-рельс 35 мм. В этом случае преобразователь и первичный датчик разнесены, но расстояние между ними желательно сделать по-прежнему минимальным. Такое конструктивное решение позволяет, с одной стороны, размещать их за пределами зон с жесткими условиями эксплуатации, а с другой – располагать их в единой защитной оболочке.

Следует также упомянуть преобразователи, выполненные в виде модулей и рассчитанные на монтаж на коммуникационных платах.

Нормирующие преобразователи сигналов НПФ КонтрАвт

В настоящее время Научно-производственная фирма «КонтрАвт» выпускает широкую номенклатуру нормирующих преобразователей для работы с термопреобразователями сопротивления и термоэлектрическими преобразователями. Преобразователи классифицируются:

по конструктивному исполнению и способу монтажа:

• монтаж на DIN-рельс 35 мм;
• монтаж в стандартную 4-х клеммную головку термопреобразователя;
• монтаж в cоединительную головку типа B (DIN43729);

по возможности выбора пользователем типа и диапазона преобразования:

• преобразователи с фиксированным типом и диапазоном преобразователя (указываются в заказе и устанавливается при выпуске);
• преобразователи программируемым типом и диапазоном преобразователя (определяется пользователем);

по наличию гальванической изоляции:

• без гальванической изоляции;
• с гальванической изоляцией;

по напряжению и типу электропитания:

• питание от сети в диапазоне 85…265В;
• питание от токовой петли 4…20 мА.

Преобразователи сигналов ПСТ/ПНТ

Преобразователи сигналов ПСТ-х-х предназначены для преобразования сигналов термопреобразователей сопротивления типа 100М, 100П и Pt100, а преобразователи ПНТ-х-х – термопар типа ХА (хромель-алюмель), ХК (хромель-копель), НН (нихросил-нисил). Тип и диапазон преобразования фиксированы, определяются модификацией преобразователя и указываются в заказе. Выходной сигнал 4…20 мА. Питание и сам сигнал передается по двухпроводной схеме. Преобразователи рассчитаны на монтаж в стандартной 4-х клеммной карболитовой головке (см. Рис.1).

Преобразователи сигналов ПСТ/ПНТ-a-Pro и ПСТ/ПНТ-b-Pro

Преобразователи сигналов ПСТ/ПНТ-a-Pro и ПСТ/ПНТ-b-Pro примечательны тем, что тип и диапазон преобразования программируются пользователем с помощью кнопки, контроль осуществляется по двухцветному светодиодному индикатору. Преобразователи ПСТ поддерживают 11 типов преобразователей сопротивления (по 7-13 диапазон), а ПНТ – 14 типов термопар (по 3-8 диапазонов). Поскольку линеаризация Номинальных Статических Характеристик (НСХ) датчиков производится программно, то для всех типов и диапазонов преобразования зависимость выходного тока от температуры – линейная.

Преобразователи этих двух групп осуществляют контроль обрыва датчиков, а преобразователи ПСТ/ПНТ-b-Pro дополнительно контролирует замыкание чувствительного элемента на корпус.

Преобразователи ПСТ/ПНТ-a-Pro рассчитаны на монтаж в стандартной 4-х клеммной карболитовой головке (см. Рис.1), а Преобразователи ПСТ/ПНТ-b-Pro рассчитаны на монтаж в соединительной головке тип B (DIN43729) (см. Рис.2).

Преобразователи сигналов НПСИ

В отличие от преобразователей ПСТ/ПНТ преобразователи НПСИ предназначены для монтажа на DIN–рельс (см. Рис.3) и имеют гальваническую изоляцию входных и выходных цепей. Кроме того, питание НПСИ осуществляется от сети с диапазоном напряжений 85…265 В, а выходной токовый сигнал активный, то есть дополнительного источника питания в выходных цепях не требуется.

Преобразователи сигналов НПСИ позволяют пользователю программно задавать основные параметры и режимы работы с помощью кнопок и индикаторов на панели (см. Рис.4).

Пользователь может установить:

• типа и диапазона преобразования;
• диапазон выходного сигнала (0…5, 0…20, 4…20 мА);
• уровень выходного сигнала (высокий/низкий) в аварийной ситуации (обрыв датчика, выходных цепей и проч.);
• схему подключения термопреобразователя сопротивления (2, 3, 4-х проводная или автоматический выбор схемы подключения);
• компенсацию сопротивления при двухпроводной схеме подключения;
• наличие компенсации «холодных спаев» термопар;
• режим отображения уровня выходного сигнала на линейной шкале (бар-граф).

Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений производится с помощью разъемных клеммных соединителей (см. Рис.5).

Основные сведения о преобразователях представлены в сводной Таблице 1.

Таблица 1. Сводные характеристик преобразователей, выпускаемых НПФ «КонтрАвт»

Преобразователи аналоговых сигналов фирмы Weidmuller

Митрофанова Наталья

Немецкая фирма Weidm uller Interface (www.weidm ueller.de) — известный производитель компонентов для автоматизации промышленных объектов и инсталляции зданий. Она хорошо известна как производитель клемм, разъемов и электромонтажного инструмента высочайшего класса. Вместе с тем одним из основных направлений деятельности фирмы является производство недорогих электронных модулей преобразователей для обработки аналоговых сигналов и защиты контроллеров при решении задач промышленной автоматизации.

Задача измерения и контроля параметров технологических процессов является одной из основных в технологиях автоматизации промышленного производства. Повышение степени автоматизации делает очень важной обработку аналоговых сигналов, поступающих от многочисленных датчиков. Чтобы эти данные могли поступить на промышленный компьютер (логический контроллер), нужно преобразовать их в вид, приемлемый для его входных цепей.

Преобразователи аналогового сигнала конвертируют сигналы, поступающие от датчиков, например, температуры, усилия и др. в сигналы тока 4-20 мА или в сигнал напряжения 0-10 В для последующей обработки логическим контроллером.

Кроме этого, они выполняют функцию гальванической развязки цепей датчиков от цепей измерения для защиты контроллера от возможных внешних помех.

Модули серий WAVEanalog, MICROanalog и MCZ предназначены для контроля тока и напряжения, гальванической развязки, преобразования частотных, тензометрических, интерфейсных сигналов (RS-232, RS-485, RS-422), нормализованных сигналов постоянного тока и напряжения и сигналов от датчиков температуры.

Особенности преобразователей аналоговых сигналов

В производственной программе фирмы Weidmuller представлены три типа корпусов электронных преобразователей аналоговых сигналов, которые крепятся на монтажную рейку внутри электротехнического шкафа.

Модули серий WAVEanalog и WAVEanalog PRO (рис. 1) производятся в корпусах WAVEBOX. Электронная плата преобразователя устанавливается внутри корпуса. Она является съемной и легко вынимается без использования инструментов — нужно лишь нажать на боковые рычажки и потянуть плату вверх (рис. 2).

Даже если к преобразователю уже подключены проводники, их не нужно отключать от разъемов перед выниманием платы. Проводники отсоединяются вместе с разъемами, к которым они подсоединены. После этого вынимается и сама плата. Затем, когда она снова будет вставлена в корпус, подсоединение разъемов с проводниками займет несколько секунд. Ошибиться с подключением невозможно, поскольку разъемы защищены от ошибочного подключения с помощью кодирования. Это очень удобно, когда нужно заменить или перепрограммировать плату.

Перепрограммирование производится с помощью установленных на плате миниатюрных DIP-переключателей (рис. 3). Например, чтобы изменить тип выходного сигнала с 0. 20 мА на 4. 20 мА, нужно всего лишь передвинуть один микропереключатель. При переналадке оборудования на производстве соответствующую установку DIP-переключателей может выполнить даже средний технический персонал. Применение такой технологии делает модули Weidmuller более надежными и привлекательными по цене по сравнению с аналогами, программируемыми с помощью компьютера. Кроме того, не нужно каждый раз покупать новый модуль для новой задачи, для этого можно перенастроить имеющийся универсальный.

Преобразователи Weidmuller имеют очень интересную особенность по сравнению с существующими на рынке аналогами. Например, если несколько модулей типа WAVEanalog стоят в один ряд, например, с источником питания CP-SNT 12W(9918840024), не нужно тянуть отдельные провода питания от источника к каждому корпусу преобразователя (рис. 4). Питание распределяется с помощью съемных мостиков ZQV от одного модуля к другому.

В зависимости от условий применения преобразователя можно выбрать нужный способ подключения проводников, идущих к нему от датчика или контроллера. Например, если оборудование работает в условиях повышенной вибрации, нужно выбирать пружинный способ подключения. На электронных платах преобразователей устанавливаются коннекторы BLZ (винтовые) или BLZF (пружинные).

Для удобства работы на крышке корпуса изображена схема электронного устройства, а на боковой крышке корпусов серии WAVE есть инструкция по программированию модуля.

Корпус WAVEBOX изготовлен из термопласта WEMID, снабжен вентиляционными отверстиями и отвечает требованиям по электромагнитной совместимости.

Новая серия преобразователей MICROanalog имеет очень тонкий корпус шириной всего 6 мм (рис. 5). Питание также распределяется посредством соединительных мостиков от модуля к модулю.

Для каждого типа преобразователя существуют версии как с пружинным, так и с винтовым способом подключения проводников с поперечным сечением до 2,5 мм 2 .

На боковой крышке устройств этой серии для удобства использования изображена схема прибора, инструкция по программированию, здесь же расположены микропереключатели.

Серия MCZ выполнена в виде клемм шириной 6 мм (рис. 6). Размеры же такого модуля составляют всего 91x63,2x6мм. Проводники подключаются только к пружинному зажиму. Питание распределяется c помощью соединительных мостиков типа ZQV.

Преобразователи сигналов постоянного тока

Основными задачами этой группы приборов являются преобразование сигнала и гальваническое разделение цепей входного, выходного сигналов и питания. В модулях Weidmuller применяется как трансформаторный (рис. 7), так и оптический (рис. 8) методы развязки. Входной сигнал от датчика преобразуется методом широтно-импульсной модуляции в частотный, его переменная составляющая передается либо через трансформатор, либо через оптрон и затем демо-дулируется. Дальше он преобразуется в нормализованный аналоговый сигнал.

Такой способ передачи и преобразования сигнала необходим для устранения влияния шумов (рис. 9) и эффекта земляной петли (рис. 10).

Сигнал, идущий от удаленного датчика, составляет несколько миллиампер. Поэтому любое влияние электромагнитного поля (шума), например, от работающего неподалеку электромотора, может не только исказить измеряемую величину, но и вывести из строя последующие входные цепи дорогостоящего контроллера. Это происходит потому, что помеха (наведенный свободный потенциал) на стороне датчика действует на оба проводника цепи одинаково, то есть разность потенциалов равна нулю. На стороне же заземленного приемника (контроллера) потенциал земли фиксируется, и вся разность потенциалов, равная амплитуде помехи, падает на входные цепи контроллера, выводя их из строя. Введение же в цепь межу датчиком и контроллером гальванической развязки устраняет влияние внешних шумов, поскольку наведенный потенциал на стороне датчика остается свободным. Через преобразователь проходит только полезный сигнал, который на стороне контроллера измеряется уже относительно нулевого потенциала.

С другой стороны, если удаленный датчик заземлен отдельно от контроллера, то между заземлением приемника и датчика возникает разность потенциалов. Это приводит к появлению паразитных токов в земляной цепи, образуется так называемая земляная петля, искажающая измеряемый сигнал от датчика. Введением же гальванической развязки в цепь измерения цепь земляной петли разрывается (рис. 11), и сигнал измеряется корректно.

В номенклатуре фирмы Weidmuller представлены как активные, так и пассивные модули гальванической развязки.

Пассивные преобразователи не требуют внешнего источника и питаются от входного сигнала. Они являются очень привлекательными из-за своей простоты и низкой стоимости. Их недостатком является то, что изменение нагрузки влияет на входной сигнал.

При двухстороннем разделении входной сигнал изолируется от выходного. В зависимости от применения может использоваться преобразователь с внешним питанием как входной, так и выходной цепи, с питанием только выходной или только входной цепи.

Преобразователи сигналов УНТ

Преобразование подобного в подобное в системах измерения и управления

На нашем сайте уже есть подробная статья, посвященная нормирующим преобразователям сигналов датчиков температуры – термоэлектрических преобразователей (термопар) и термопреобразователей сопротивления – в унифицированные токовые сигналы. Основная специфика таких преобразователей заключается в том, что они работают со слабыми сигналами постоянного напряжения от датчиков температуры. Это предопределяет набор функций, которые характерны именно для температурных нормирующих преобразователей:

• реализация метода измерения электрических сигналов термопар и термосопротивлений (например, 4-х проводная схема измерения термосопротивления);
• линеаризация нелинейных номинальных статических характеристик термодатчиков;
• компенсация влияния температуры «холодных» спаев;
• усиление сигналов;
• подавление электромагнитных помех, которые оказывают сильное негативное влияние на слабые полезные сигналы датчиков, существенно искажая их;
• гальваническое разделение.

В настоящей статье речь пойдет о нормирующих преобразователях, которые преобразуют унифицированные сигналы на входе в унифицированные сигналы на выходе. Несмотря на кажущуюся, на первых взгляд, абсурдность преобразования «подобного в подобное», оно оказывается в ряде задач автоматизации весьма важным и полезным.

Основные функции измерительных преобразователей унифицированных сигналов

Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011. Стандарт устанавливает допустимые диапазоны унифицированных сигналов, а также вводит ограничения на величину сопротивлений источников и приемников этих сигналов. Если ряд отечественных унифицированных сигналов дополнить сигналами, которые широко используются иностранными производителями средств автоматизации, то получится обширное множество сигналов напряжения 0…1, 0…2,5, 0…5, 0…10, -1…1, -10…10 В и сигналов тока 0…5, 0…20, 4…20, -20…20 мА. Это означает, что в системе вполне вероятно будут присутствовать датчики и приборы с различными типами аналоговых сигналов. Они хоть и будут унифицированными, но будут разными. Это значит, что датчик не будет стыковаться со вторичным измерительным прибором, а управляющий прибор не сможет управлять исполнительным механизмом. В системах с десятками или даже тысячами сигналов такая ситуация возникает просто неизбежно. Особенно остро проблема стоит в тех случаях, когда ядром системы является контроллер (измерительно-управляющей системы – ИУС), который с целью удешевления и унификации работает с одним типом унифицированного сигнала. В современных контроллерах таким сигналом чаще всего является ток 4…20 мА.

Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами:

• на передачу токовых сигналов не оказывает влияние сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов, а значит, и к стоимости снижаются;
• токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения;
• обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА);
• токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя – минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.

Картину взаимодействия контроллера, который работает с одним типом сигнала, с большим разнообразием датчиков и исполнительных устройств иллюстрирует рис. 1. Задачу согласования устройств с различными типами сигналов как раз и призваны решать преобразователи нормирующих сигналов.

Рис.1. Согласование сигналов в многоканальных измерительно-управляющих системах ИУС. Под воздействием электромагнитных наводок удаленные приборы находятся под разными потенциалами

ИСх – источники сигнала;

ПСх – потребители сигналов;

НПх – преобразователи сигналов;

ИУС – измерительно-управляющая система.

На рис. 1 показаны канал 3 на входе и канал 2 на выходе, в которых ни тип сигнала, ни его диапазон не изменяется, и тем не менее, установлен нормирующих преобразователь. Дело в том, что в данных каналах нормирующие преобразователи решают еще одну задачу – гальваническое разделение цепей. Необходимость гальванического разделения возникает, прежде всего, в тех случаях, когда многоканальная измерительная система работает с неизолированными источниками сигналов, находящихся под разными потенциалами. Как известно, в промышленных условиях даже заземленные источники, но расположенные на некотором удалении друг от друга, находятся под разными потенциалами частотой 50 Гц, обусловленными электромагнитным наводками от силовых цепей (см. рис. 1). Гальваническая развязка решает эту проблему: она полностью устраняет влияние разности постоянных потенциалов и значительно подавляет переменные наводки частотой 50 Гц.

Кроме того, гальваническое разделение предохраняет измерительные цепи и от высокочастотных помех, которые вызваны короткими импульсами тока в силовых цепях. Такие импульсы возникают при работе сварочных аппаратов, индукторов, частотных преобразователей, тиристорных коммутаторов, а также при грозовых разрядах.

Наличие гальванической развязки трех составных частей нормирующих преобразователей, а именно, входных цепей, выходных цепей и цепей питания, позволяет применять преобразователи для разветвления сигналов 1 в N. На рис.2 показана схема подключения группы нормирующих преобразователей к одному источнику токового сигнала. На выходе преобразователей появляются ряд дублированных гальванически развязанных сигналов, пропорциональных одному сигналу на входе.

На рис. 3 показана аналогичная схема разветвления одного сигнала в N в случае, когда источником является сигнал напряжения.

Рис. 2. Разветвления сигнала тока 1 в N

Рис. 3. Разветвление сигнала напряжения 1 в N

С точки зрения надежности и безопасности, в системе должна присутствовать сигнализация, которая должна срабатывать при достижении критическими сигналами недопустимых уровней. Например, в термическом оборудовании температура не должна превышать уровня, при котором начинается разрушение самого оборудования. Лучше всего такую сигнализацию реализовать в устройствах, которые максимально приближены к датчикам. Поскольку нормирующие преобразователи находятся на переднем крае на пути прохождения сигналов от датчиков, то представляется целесообразным возложить выполнение функций сигнализации именно на них. Таким образом, некоторые нормирующие преобразователи наряду с преобразованием и гальваническим разделением сигналов выполняют важнейшую функцию сигнализации.

Характеристики измерительных преобразователей унифицированных сигналов

Рассмотрим основные характеристики и особенности, которые необходимо учитывать при выборе нормирующих преобразователей унифицированных сигналов. В качестве примера приведем нормирующие измерительные преобразователи НПСИ-УНТ. выпускаемые Научно-производственной фирмой «КонтрАвт» (см. рис. 4).

В силу своего основного функционального предназначения, нормирующие преобразователи, прежде всего, характеризуются типами и диапазонами входных и выходных сигналов. В этом плане все преобразователи можно отнести к одной из двух групп:

• преобразователи с фиксированными входными и выходными сигналами, функция преобразования которых устанавливается предприятием-изготовителем;
• преобразователи, у которых типы и диапазоны преобразования устанавливаются пользователем.

Преобразователи первой группы, очевидно, конструктивно проще, а значит, и дешевле при прочих равных характеристиках. Их применение обосновано в серийно выпускаемых системах, где все функции преобразования четко определены и они не меняются в ходе проектирования и эксплуатации, а стоимость является ключевым фактором.

Преобразователи второй группы оказываются удобными в следующих случаях:

• в системе много преобразователей с большим разнообразием типов преобразования. Это облегчает подбор оборудования при проектировании, облегчает и ускоряет комплектование (комплектование можно проводить даже до окончания проектных работ), требует минимальных затрат на создание ЗИПа.
• в ходе создания системы и во время эксплуатации возникает необходимость замены какого-либо оборудования с изменением типов сигналов. В этом случае не требуется замена преобразователя, достаточно установить необходимый новый тип преобразования.

Из сказанного следует, что преобразователям второй группы отдают свое предпочтение системные интеграторы, которые постоянно выполняют различные проекты в условиях существенных временных ограничений и больших рисков со стороны поставщиков, а также при ограниченных ресурсах на создание складских запасов с большой номенклатурой преобразователей. Ключевыми факторами успеха для них являются гибкость, скорость, способность адаптироваться и устранять влияние рисков.

В измерительных преобразователях НПСИ-УНТ выбор входных и выходных сигналов программируется пользователем. Устанавливаются не только диапазоны преобразования, но и типы сигналов (ток и напряжение). При этом один преобразователь может осуществлять как однотипное (например, ток в ток), но и перекрестное преобразование (например, ток в напряжение). Типы и диапазоны преобразования приведены в таб. 1.

Табл. 1. Типы и диапазоны входных и выходных сигналов измерительного преобразователя НПСИ-УНТ