ЛЕК+ЛАБА(СУМ) / Лек / 15ЭПА-4

1

4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

Напомним: в лекции 1 цепь мониторинга, анализа и отображения информации была представлена в виде измерительного канала (ИК), включающего в себя датчики ДФВ, измерительные преобразователи ИП, вычислительный компонент ВК и связующие компоненты СК, обеспечивающие передачу измерительного сигнала структурными составляющими ИК. При этом характеристики выходного сигнала ДФВ определяют структуру ИК.

Простейшая структура ИК, как показано на рис.3.1, состоит из ДФВ с выходным цифровым сигналом и ВК. Ее достоинство не только в простоте, но и в повышении метрологической надежности ИК. Под метрологической надежностью понимается свойство ИК, как средства измерения, сохранять установленные значения погрешности измерения в течение определенного времени при нормальных режимах и рабочих условиях эксплуатации. Повышение метрологической надежности ИК простейшей структуры достигается исключением возможности внесения дополнительной погрешности в цифровой измерительный сигнал при его передаче в СК: с выхода ДФВ на вход ВК. Внешние воздействия могут исказить цифровой измерительный сигнал случайным образом. В этом случае, если цифровой сигнал (код) не имеет специальной защиты, то при обработке последовательности выходных сигналов ДФВ искаженный результат измерительного преобразования будет расцениваться как «промах». Если же цифровой код защищен, то искаженный сигнал датчика сразу же будет выявлен и отбракован. Таким образом, влияние СК на характеристики ИК простейшей структуры

– это вопрос не метрологии, а достоверности передачи данных.

Понятно, что в системах автоматизации создание ИК простейшего типа всегда желательно, но не всегда возможно. Ограничение возможности связано не только с тем, что ДФВ с цифровым выходным сигналом могут быть не только технически сложнее и дороже, но и могут требовать увеличения энергопотребления, размеров и веса датчика, что во многих случаях отбора ФВ является неприемлемым.

В настоящее время в практике создания систем автоматизации в подавляющем большинстве применяются ДФВ с выходным аналоговым сигналом.

Минимальная структура ИК с ДФВ с выходным аналоговым сигналом представлена на рис.4.1, где ИП(АЦП)─ это ИП, принимающий аналоговый сигнал ДФВ, выполняющий аналого-цифровое преобразование (АЦП) этого сигнала и передающий результат преобразования, представленный в цифровой (кодовой) форме на вход ВК. Поскольку СК* влияет только на достоверность передачи данных, а не на метрологические характеристики ИК, то из дальнейшего анализа этот компонент исключим.

:.

ФВ

ДФВ

СК

ИП (АЦП)

СК*

ВК

.

Рис.4.1. Измерительный канал минимальной структуры с аналоговым выходным сигналом ДФВ

В общем случае выходной сигнал ДФВ может быть стандартизированным и нестандартизированным. Датчики с нестандартизированным выходным сигналом применяются главным образом в системах автоматизации научных исследований. В промышленной автоматизации применяются исключительно датчики со стандартизированным выходным сигналом.

Стандартизированными являются следующие сигналы:

сопротивления постоянному току;

напряжения постоянного тока низкого уровня: +10мВ, +50мВ, +100мВ, 1000мВ;

напряжения постоянного тока: 0-5В, + 5В, 0-10В, + 10В;

напряжения переменного тока: 0-0,1В, 0-1В, 0-10В, 0-150В, 0-300В;

2

силы постоянного тока:	0-5мА, + 5мА, 0-20мА, 4-20мА;
силы переменного тока:	0-1А, 0-5А;

частоты гармонических (импульсных) сигналов (начальное значение частоты F/диапа-

зон изменения ∆Fмакс, Гц), выборочно: 0/500,1000,2000,4000,8000; 1000/1000; 2000/2000; 4000/4000; 8000/8000.

При проектировании ИК минимальной структуры с датчиком с выходным стандартизированным аналоговым сигналом требуется решить две задачи:

минимизировать дополнительную погрешность при его передаче измерительного аналогового сигнала через СК;

согласовать аналоговый сигнал ДФВ на выходе СК с требованиями, предъявляемыми

квходному сигналу ИП(АЦП).

4.1. Влияние СК на метрологические характеристики измерительного канала

4.1.1. Передача в СК сигналов постоянного тока

Влияние характеристик СК на метрологические характеристики ИК рассмотрим на примере передачи аналогового измерительного сигнала постоянного тока по проводной линии связи между Аи – источником сигнала и Ап – приемником сигнала (рис.4.2.).

В общем случае длина линии связи СК, показанной на рис.4.2. резисторами Rл, может изменяться от единиц метров до нескольких сотен метров. На более длинных линиях связи передача осуществляется исключительно цифровыми сигналами.

Аи

Rл

Ап

Rи

Rу

Rн

ИС

Rл

Рис.4.2

Схема связи ИП

На рис.4.2 показано, что в Аи имеется ИС –источник измерительного сигнала Uис с внутренним сопротивлением этого источника –. Rи. Аи передает сигнал по линии связи со шлейфовым сопротивлением Rлс=2Rл. Ап имеет входное сопротивление Rн. Rу – сопротивление «утечки» линии связи, обусловленное несовершенством изоляции проводов или кабеля связи.

При принятых обозначениях напряжение Uн на входе Ап определяется формулой:

Rн Rу / (Rн+Rу)

Uн = Uис	--------------------------------------------------- .	(4.1.)
	R и + R лс + [R н R у / (R н + R у )]
Погрешность передачи измерительного сигнала из Аи на вход Ап характеризуется от-
ношением:
γ = (Uис –Uн)/Uис = 1–β, где β=Uн/Uис,
	R н R у / (R н +R у )
β = ---------------------------------------------------	.	(4.2)
	R и + R лс + [R н R у / (R н + R у )]

Рассмотрим особенности передачи из Аи на вход Ап измерительного сигнала, представленного в виде напряжения или силы постоянного тока.

1) При передаче измерительного сигнала напряжением постоянного тока Аи является

источником напряжения. Это значит, что его внутреннее сопротивление Rи0, а идеальная

3

передача сигнала должна осуществляться в режиме «холостого хода», т.е. на нагрузку с бесконечно большим сопротивлением: Rн∞.

Поскольку Rи0, то источник напряжения не допускает короткого замыкания (!), что может иметь место при выполнении работ по монтажу и наладке СК.

Погрешность передачи измерительного сигнала напряжения по схеме рис.4.2 при Rи0

определяется формулой:
γ = Rлс / [Rлс+Rн Rу/(Rн+Rу)].
Если «утечкой» в проводах линии связи можно пренебречь, т.е. если Rу∞, то
γ = Rлс/(Rлс+Rн) = (Rлс/Rн)/[ (Rлс/Rн) + 1].	(4.3)

Это значит, что условие минимизации погрешности передачи сигнала напряжения имеет вид: (Rлс/Rн)min; γ0 либо при Rлс0, либо при Rн∞.

При минимизации γ следует учитывать, что сопротивление Rлс не постоянно. Оно зависит от изменения температуры окружающей среды и от изменения качества контактного соединителя (например,– из-за окисления контактов) проводов линии связи с передатчиком и приемником сигнала (клеммы контактного соединителя входят в состав СК).

Следует отметить, что, если Rн∞, то возникают проблемы с обеспечением защиты высокоомного входа Ап от воздействия электромагнитных помех, т.к. даже маломощный электромагнитный сигнал способен «навести» высоковольтную помеху на высокоомное Rн.

Если «утечкой» в проводах линии связи нельзя пренебречь (т.е. , если условие Rу∞ не выполняется), то в цепи передачи напряжения дополнительно к показанному формулой (4.3) будет влиять новая составляющая погрешности – (Rн/Rу)=α :

γ = Rлс /[Rлс+Rн Rу/(Rн+Rу)] = (Rлс/Rн)/[(Rлс/Rн)+1/( α+1)].

Поскольку в проводах (кабелях) связи сопротивление изоляции достаточно велико, то в нормальных условиях можно выбрать Rн так, чтобы α<<1. Но поскольку линии связи прокладываются не только в помещениях, но и на улицах, то сопротивление Rу становится зависимым от внешних условий: от температуры и особенно – от влажности. И эта зависимость изменяется в течение времени эксплуатации ИК.

Для ослабления влияния γ и α на погрешность передачи сигнала напряжением постоянного тока при проектировании ИК необходимо выполнять два условия:

(Rлс/Rн)0 и (Rн/Rу) min.

В СК передача измерительного сигнала напряжением постоянного тока ограничивается линиями связи длиной до 10-20м.

.

2) При передаче измерительного сигнала силой постоянного тока ИС является источ-

ником тока. Это значит, что его внутреннее сопротивление Rи∞, а идеальная передача сигнала осуществляется в режиме «короткого замыкания», т.е. на нагрузку с бесконечно ма-

лым сопротивлением (Rн0).
Из формулы (4.1)	значение тока в цепи Rн определяется выражением:
Rн Rу / (Rн+Rу)		Rу/(Rн+Rу)
Iн =Uис -----------------------------------------------	. / Rн	= Uис -----------------------------------------	(4.3)
Rи + Rлс + [Rн Rу / (Rн+ Rу)]		Rи+Rлс+[RнRу/(Rн+ Rу)]
При Rу >> Rн (в данном случае это условие выполнить просто, т.к. Rн0), получим:
Iн = Uис[1/(Rи+Rлс)]
и, поскольку из определения источника тока,		Rи >>Rлс, то

Iн = Uис/(Rи),

т.е. передача измерительного токового сигнала не зависит ни от сопротивления шлейфа линии связи, ни, тем более, от его изменения от внешних условий. Поскольку в токовой цепи входное сопротивление – низкоомное (Rн0), то для входной цепи не опасны маломощные электромагнитные наводки.

Перечисленные достоинства токового канала определили его активное использование в измерительных системах с линиями связи длиной до 1 км.

4

4.1.2. Передача в СК частотного сигнала

Если выходной сигнал АПд представлен частотой, то такой сигнал благодаря высокой помехозащищенности наиболее благоприятен для дистанционной передачи. Дальность передачи частотного измерительного сигнала может достигать нескольких километров в условиях высокого уровня промышленных помех, однако, диапазон изменения такого сигнала ограничивается частотой пропускания линии связи, модель которой может быть представлена в виде последовательности фильтров первого порядка:

	R	C			R	C	R	C

В представленной модели совокупность резисторов показывает линейную распределенность сопротивления линии связи (погонное сопротивления кабеля связи), а конденсаторами показана распределенная емкость линии связи (погонная емкость кабеля связи). Значения погонного сопротивления и погонной емкости различаются для различных типов кабелей линий связи.

При передаче измерительного частотного сигнала на расстояние порядка единиц километров диапазон его изменения ограничивается в пределах единиц кГц.

Применение частотного сигнала упрощает некоторые схемные решения благодаря возможности применения трансформаторов: достаточно просто выполняется гальваническая развязка линии связи с измерительным устройством, а также просто осуществляется разветвление цепи передачи сигнала от одного источника сигнала на несколько приемников: на вход АЦП, на регистратор, на устройство регулирования.

4.2. Измерительные преобразователи «аналог-аналог»

4.2.1. Задачи преобразования аналоговых сигналов

Дополнение измерительного канала минимальной структуры измерительными преобразователями ИП различного функционального назначения определяется следующими причинами:

необходимостью приведения выходного аналогового сигнал ДФВ (сигнала напряжеили силы постоянного или переменного тока, сигнала частотного, сигнала время-импульс- ного и т.п.) к той форме, которую требует ИП (АЦП);

необходимостью согласования выходного аналогового сигнал ДФВ (масштабирование сигнала) по уровню с требованиями, предъявляемыми к входному сигналу ИП (АЦП);

необходимостью предварительной обработки выходного аналогового сигнал ДФВ с целью его подготовки к выполнению операции АЦП, например, ─ установкой ИП, осуществляющего фильтрацию помех в определенном частотом спектре;

необходимостью обеспечения возможности передачи выходного физического сигнала ДФВ по линии связи требуемой протяженности в условиях различных внешних возмущающих воздействий.

Ниже рассмотрим структурные составляющей измерительного канала (как элементы, так и устройства) с позиций их использования в системах автоматизации.

Состав и функциональное назначение измерительных преобразователей в ПЦ

определяются исходными условиями проектирования: значениями Апип и Аацп, удаленностью мест размещения точек «отбора» ФВ на объекте ОИУ от КВ, а также количеством и характером внешних возмущающих воздействий.

2) Характеристики входного сигнала АЦП в настоящее время унифицированы для сигналов напряжения (+5В, +10В) или силы (0…5мА, 0…20мА) постоянного тока. Диапазон частотных сигналов является достаточно широким: от долей Гц (измерение длительности сигнала) до единиц МГц.

5

3) Обработка измерительных сигналов в ПЦ осуществляется путем:

масштабирования сигнала (изменение уровня сигнала – усиление, ослабление);

фильтрации сигнала (изменение спектра) ;

преобразования унифицированных сигналов напряжения или силы переменного тока

всигналы напряжения или силы постоянного тока (выпрямление);

преобразования унифицированных сигналов в виде сопротивления постоянному току

вунифицированные сигналы напряжения или силы постоянного тока, частоты;

преобразования унифицированного напряжения постоянного тока в силу постоянного тока или частоту;

преобразования унифицированного сигнала силы постоянного тока или частоты в напряжение постоянного тока.

На рис. 4.3 показан пример построения ПЦ, на вход которой из ПИП поступает измерительный сигнал Апип в виде напряжения низкого уровня. Требуется осуществить передачу измерительного сигнала на сотни метров и представить его на входе АЦП в виде напряжения постоянного тока в диапазоне +10В.

КИ-

КИ типа

КИ типа

АЦП

ПИП

усилитель

«напряжение-

«ток -

ток»

напряжени»

а )

КИ-

КИ типа

КИ типа

АЦП

ПИП

усилитель

«напряжение-

«частота -

частота»

напряжение

б )

Рис.4.3. Структуры ПЦ

Проектное решение может состоять в передаче по протяженной линии связи (на рисунке - двойная линия) токового или частотного сигнала. На рис 4.3а по протяженной линии связи передается токовый сигнал, а на рис.4.3б - частотный сигнал. Сигнал с выхода ПИП поступает на ИП-усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, который предназначен для того, чтобы уровень сигнала напряжения Апип привести к диапазону входного сигнала ИП типа «напряжение-ток» (а) или «напряжение –частота» (б). На выходе протяженной линии связи установлены ИП, осуществляющие преобразование в токового сигнала (а) или частотного сигнала (б) в сигнал напряжения в диапазоне +10В в соответствии с требованиями АЦП.

4.2.2 Принципы конструктивной реализации ИП рассмотрим на примере модулей фирмы Dataforth, внешний вид которых представлен на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Конструктивные решения ПИ

Размеры этих модулей составляют примерно «полтора спичечных коробка». Монтаж модулей осуществляется либо на монтажных основаниях, которые устанавливаются на DIN-

6

рейке (см. слева), либо непосредственно на DIN-рейке (см. справа). DIN-реечная технология существенно упрощает и удешевляет монтаж изделий.

ИП фирмы Dataforth изготавливаются следующего функционального назначения:

функциональные преобразования (например, - модули с линеаризованной характеристикой для терморезисторов, для термо-эдс);

масштабирующие преобразования по уровню сигналов одного типа (например,- модули с входным сигналом +10мВ, +50мВ,...,+5В и т.д. в сигналы напряжения +5В, 0…5В и т.д.);

преобразования электрических сигналов одного типа в сигналы другого типа (например, - модули с потенциометрическим входом 0…100 Ом, 0.. 500 Ом, 0..1 кОм, в напряжение постоянного тока +5В, 0…5В, модули преобразования типа «напряжение-ток», «ток-напря- жение», «напряжение–частота», «частота-напряжение»).

Блок-схема одного из модулей представлена на рис. 4.5.

На схеме обращает на себя внимание наличие гальванических развязок: входной цепи от выходной, а также входной и выходной цепей от цепи питания. Гальванические развязки осуществляются с помощью элементов типа DC-DC, осуществляющих преобразование одного напряжения постоянного тока в другое, тоже постоянного тока (может быть – в несколько других). Поскольку преобразование типа DC-DC осуществляются на высокой частоте, то используются малогабаритные трансформаторные элементы.

Рис.4.5. Блок-схема одного из модулей

7

8

4.3.Устройства аналого-цифрового преобразования

9