Sensores analógicos: aplicação, métodos de conexão ao controlador

No processo de automação de processos tecnológicos para controlar mecanismos e montagens, é preciso lidar com medições de várias quantidades físicas. Pode ser temperatura, pressão e vazão de um líquido ou gás, velocidade de rotação, intensidade da luz, informações sobre a posição de partes de mecanismos e muito mais. Esta informação é obtida usando sensores. Aqui, primeiro sobre a posição das partes dos mecanismos.

Sensores discretos

O sensor mais simples é um contato mecânico normal: a porta foi aberta - o contato aberto, fechado - fechado. Um sensor tão simples, bem como o algoritmo de operação acima, geralmente usado em alarmes de segurança. Para um mecanismo com movimento de translação, que possui duas posições, por exemplo, uma válvula de água, são necessários dois contatos: um contato é fechado - a válvula é fechada, o outro é fechado - fechado.

Um algoritmo de tradução mais complexo possui um mecanismo para fechar a máquina de moldagem termoplástica. Inicialmente, o molde está aberto, esta é a posição inicial. Nesta posição, os produtos acabados são removidos do molde. Em seguida, o trabalhador fecha a cerca protetora e o molde começa a fechar, um novo ciclo de trabalho começa.

A distância entre as metades do molde é bastante grande. Portanto, a princípio o molde se move rapidamente e a uma certa distância até as metades serem fechadas, o trailer é acionado, a velocidade do movimento é significativamente reduzida e o molde é fechado suavemente.

Este algoritmo permite que você evite um golpe ao fechar o molde, caso contrário, ele pode ser cortado em pedaços pequenos. A mesma mudança de velocidade ocorre quando o molde é aberto. Aqui, dois sensores de contato não podem fazer.

Assim, os sensores baseados no contato são discretos ou binários, têm duas posições, fechadas - abertas ou 1 e 0. Em outras palavras, podemos dizer que o evento ocorreu ou não. No exemplo acima, vários pontos são “capturados” pelos contatos: o início do movimento, o ponto de diminuição da velocidade, o fim do movimento.

Na geometria, um ponto não tem dimensões, apenas um ponto e é isso. Pode ser (em um pedaço de papel, na trajetória do movimento, como no nosso caso), ou simplesmente não existe. Portanto, sensores discretos são usados ​​para detectar pontos. Talvez uma comparação com um ponto aqui não seja muito apropriada, porque, para fins práticos, eles usam o valor da precisão de um sensor discreto, e essa precisão é muito mais que um ponto geométrico.

Mas o contato mecânico por si só não é confiável. Portanto, sempre que possível, os contatos mecânicos são substituídos por sensores de proximidade. A opção mais simples é uma chave de palheta: o ímã está fechado, o contato está fechado. A precisão da operação do interruptor reed deixa muito a desejar; o uso de tais sensores é apenas para determinar a posição das portas.

Uma opção mais complexa e precisa deve ser considerada uma variedade de sensores de proximidade. Se a bandeira de metal entrou no slot, o sensor funcionou. Como exemplo de tais sensores, os sensores BVK (chave final sem contato) de várias séries podem ser citados. A precisão da operação (diferencial do curso) desses sensores é de 3 milímetros.

Figura 1. Sensor da série BVK

A tensão de alimentação dos sensores BVK é de 24V, a corrente de carga é de 200mA, o que é suficiente para conectar relés intermediários para maior coordenação com o circuito de controle. É assim que os sensores BVK são usados ​​em vários equipamentos.

Além dos sensores BVK, também são utilizados sensores dos tipos BTP, KVP, PIP, KVD, FISH. Cada série possui vários tipos de sensores, indicados por números, por exemplo, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Todos os sensores mencionados são discretos e sem contato, seu principal objetivo é determinar a posição de partes de mecanismos e montagens. Naturalmente, existem muito mais desses sensores; você não pode escrever sobre todos eles em um artigo. Vários sensores de contato ainda são mais comuns e ainda encontram uso generalizado.

O uso de sensores analógicos

Além de sensores discretos em sistemas de automação, sensores analógicos são amplamente utilizados. Seu objetivo é obter informações sobre várias quantidades físicas, e não apenas assim, mas em tempo real. Mais precisamente, a conversão de uma quantidade física (pressão, temperatura, iluminação, vazão, tensão, corrente) em um sinal elétrico adequado para transmissão via linhas de comunicação ao controlador e seu processamento posterior.

Os sensores analógicos geralmente estão localizados bem longe do controlador, razão pela qual são frequentemente chamados dispositivos de campo. Este termo é frequentemente usado na literatura técnica.

Um sensor analógico normalmente consiste em várias partes. A parte mais importante é o elemento sensível - sensor. Seu objetivo é converter o valor medido em um sinal elétrico. Mas o sinal recebido do sensor geralmente é pequeno. Para obter um sinal adequado para amplificação, o sensor é frequentemente incluído no circuito da ponte - Ponte de Wheatstone.

Figura 2. Ponte de Wheatstone

O objetivo inicial do circuito da ponte é uma medição precisa da resistência. Uma fonte DC está conectada à diagonal da ponte AD. Um galvanômetro sensível com um ponto médio, com zero no meio da escala, é conectado a outra diagonal. Para medir a resistência do resistor Rx, girando o resistor de corte R2, a ponte deve ser equilibrada e a seta do galvanômetro deve estar definida como zero.

O desvio da seta do dispositivo em uma direção ou outra permite determinar a direção de rotação do resistor R2. O valor da resistência medida é determinado em uma escala combinada com a alça do resistor R2. A condição de equilíbrio para a ponte é a igualdade das relações R1 / R2 e Rx / R3. Nesse caso, entre os pontos BC, é obtida uma diferença de potencial zero e a corrente não flui através do galvanômetro V.

A resistência dos resistores R1 e R3 é selecionada com muita precisão, sua propagação deve ser mínima. Somente neste caso, mesmo um pequeno desequilíbrio da ponte causa uma mudança notável na tensão da diagonal BC. É essa propriedade da ponte que é usada para conectar elementos sensíveis (sensores) de vários sensores analógicos. Bem, então tudo é simples, uma questão de tecnologia.

Para usar o sinal recebido do sensor, é necessário processamento adicional, - amplificação e conversão em um sinal de saída adequado para transmissão e processamento pelo circuito de controle - o controlador. Na maioria das vezes, o sinal de saída dos sensores analógicos é atual (loop de corrente analógico), menos frequentemente tensão.

Por que exatamente a corrente? O fato é que os estágios de saída dos sensores analógicos são baseados em fontes de corrente. Isso permite que você se livre da influência no sinal de saída da resistência das linhas de conexão, para usar linhas de conexão de grande comprimento.

Conversões adicionais são bastante simples. O sinal de corrente é convertido em tensão, para o qual é suficiente passar a corrente através de um resistor de resistência conhecida. A queda de tensão no resistor de medição é obtida de acordo com a lei de Ohm U = I * R.

Por exemplo, para uma corrente de 10 mA em um resistor com uma resistência de 100 Ohms, você obtém uma tensão de 10 * 100 = 1000mV, exatamente há 1 volt! Nesse caso, a corrente de saída do sensor não depende da resistência dos fios de conexão. Dentro de limites razoáveis, é claro.

Conexão de sensores analógicos

A tensão recebida no resistor de medição pode ser facilmente convertida em um formato digital adequado para entrada no controlador. A conversão é feita usando conversores analógico-digitais ADC.

Os dados digitais são transmitidos ao controlador em código serial ou paralelo.Tudo depende do circuito de comutação específico. Um diagrama de conexão simplificado do sensor analógico é mostrado na Figura 3.

Figura 3. Conectando um sensor analógico (clique na imagem para ampliar)

Os atuadores estão conectados ao controlador ou o próprio controlador está conectado a um computador que faz parte do sistema de automação.

Naturalmente, os sensores analógicos têm um design acabado, um dos elementos é um alojamento com elementos de conexão. Como exemplo, a Figura 4 mostra a aparência do sensor de pressão do manômetro, tipo Probe-10.

Figura 4. Sensor de sobrepressão do sensor-10

Na parte inferior do sensor, você pode ver a rosca de conexão para conectar à tubulação e, à direita, sob a tampa preta, há um conector para conectar uma linha de comunicação ao controlador.

A conexão roscada é selada com uma arruela de cobre recozido (incluído no escopo de fornecimento do sensor) e de maneira alguma é enrolada a partir de uma fita adesiva ou linho. Isso é feito para que, ao instalar o sensor, não deforme o elemento do sensor localizado dentro.

Saídas de sensor analógico

De acordo com os padrões, existem três faixas de sinais de corrente: 0 ... 5mA, 0 ... 20mA e 4 ... 20mA. Qual é a diferença e quais são os recursos?

Na maioria das vezes, a dependência da corrente de saída é diretamente proporcional ao valor medido; por exemplo, quanto maior a pressão no tubo, maior a corrente na saída do sensor. Embora a comutação inversa às vezes seja usada: um valor maior da corrente de saída corresponde ao valor mínimo do valor medido na saída do sensor. Tudo depende do tipo de controlador usado. Alguns sensores até mudam de direto para inverso.

O sinal de saída da faixa de 0 a 5 mA é muito pequeno e, portanto, sujeito a interferências. Se o sinal desse sensor flutuar a um valor constante do parâmetro medido, ou seja, é recomendável instalar um capacitor com uma capacitância de 0,1 ... 1 μF paralelo à saída do sensor. Mais estável é o sinal de corrente na faixa de 0 ... 20mA.

Mas esses dois intervalos não são bons porque o zero no início da escala não permite determinar inequivocamente o que aconteceu. Ou o sinal medido realmente atingiu um nível zero, o que é possível em princípio, ou simplesmente a linha de comunicação foi cortada? Portanto, eles tentam abandonar o uso desses intervalos, se possível.

O sinal de sensores analógicos com uma corrente de saída na faixa de 4 ... 20 mA é considerado mais confiável. Sua imunidade a ruídos é bastante alta e o limite inferior, mesmo que o sinal medido tenha um nível zero, será de 4 mA, o que nos permite dizer que a linha de comunicação não está quebrada.

Outra boa característica da faixa de 4 ... 20mA é que os sensores podem ser conectados em apenas dois fios, uma vez que o próprio sensor é alimentado por essa corrente. Este é o seu consumo atual e, ao mesmo tempo, um sinal de medição.

A fonte de energia para sensores na faixa de 4 a 20 mA está ligada, como mostra a Figura 5. Ao mesmo tempo, os sensores Zond-10, como muitos outros, possuem uma ampla faixa de tensão de alimentação de 10 a 38V de acordo com o passaporte, embora sejam usados ​​com mais frequência. fontes estabilizadas com uma tensão de 24V.

Figura 5. Conectando um sensor analógico a uma fonte de energia externa

Os seguintes elementos e notação estão presentes neste diagrama. Rш é o resistor da derivação de medição, Rl1 e Rl2 são as resistências das linhas de comunicação. Para aumentar a precisão da medição, um resistor de medição de precisão deve ser usado como Rш. A passagem de corrente da fonte de energia é indicada por setas.

É fácil ver que a corrente de saída da fonte de alimentação passa do terminal + 24V, pela linha Rl1 atinge o terminal do sensor + AO2, passa pelo sensor e pelo terminal de saída do sensor - AO2, a linha de conexão Rl2, o resistor Rш retorna ao terminal da fonte de alimentação -24V. Tudo, o circuito está fechado, a corrente flui.

Se o controlador contiver uma fonte de alimentação de 24V, é possível conectar o sensor ou o transdutor de medição de acordo com o esquema mostrado na Figura 6.

Figura 6. Conectando um sensor analógico a um controlador com uma fonte de energia interna

Este diagrama mostra outro elemento - o resistor de lastro Rb. Seu objetivo é proteger o resistor de medição quando a linha de comunicação estiver fechada ou o sensor analógico não funcionar corretamente. A instalação de um resistor RB é opcional, embora desejável.

Além de vários sensores, os transdutores de medição, que são frequentemente usados ​​em sistemas de automação, também possuem uma saída de corrente.

Transdutor de medição - um dispositivo para converter níveis de tensão, por exemplo, 220V ou corrente de várias dezenas ou centenas de amperes em um sinal de corrente de 4 ... 20mA. Aqui, um nível de sinal elétrico é simplesmente transformado, e não uma representação de uma certa quantidade física (velocidade, vazão, pressão) na forma elétrica.

Mas o único sensor, como regra, não é suficiente. Uma das medidas mais populares são as de temperatura e pressão. O número de tais pontos na produção moderna pode chegar a várias dezenas de milhares. Consequentemente, o número de sensores também é grande. Portanto, vários sensores analógicos são mais frequentemente conectados a um controlador ao mesmo tempo. Claro, não vários milhares de uma vez, é bom que uma dúzia seja diferente. Essa conexão é mostrada na Figura 7.

Figura 7. Conectando vários sensores analógicos ao controlador

Esta figura mostra como uma tensão adequada para a conversão em um código digital é obtida a partir de um sinal de corrente. Se houver vários desses sinais, eles não serão processados ​​de uma só vez, mas serão separados por tempo, multiplexados; caso contrário, um ADC separado deverá ser colocado em cada canal.

Para esse propósito, o controlador possui um circuito de comutação de canais. O diagrama funcional do comutador é mostrado na Figura 8.

Figura 8. Troca de canais do sensor analógico (imagem clicável)

Os sinais do circuito de corrente, convertidos em tensão no resistor de medição (UR1 ... URn), são alimentados na entrada do comutador analógico. Os sinais de controle passam alternadamente por um dos sinais UR1 ... URn, que são amplificados pelo amplificador e são alimentados alternadamente à entrada ADC. A tensão convertida em um código digital é fornecida ao controlador.

O esquema, é claro, é muito simplificado, mas é possível considerar o princípio da multiplexação. Foi assim que o módulo de entrada de sinais analógicos dos controladores MSTS (sistema de hardware do microprocessador), construído pelo PC Prolog Smolensk, foi construído. A aparência do controlador MCTC é mostrada na Figura 9.

Figura 9. Controlador ICTS

A liberação desses controladores há muito tempo foi interrompida, embora em alguns lugares, longe do melhor, esses controladores ainda atendam. Essas exposições do museu estão sendo substituídas por controladores de novos modelos, principalmente de produção importada (chinesa).

Para conectar sensores de corrente de 4 ... 20mA, é recomendável usar um cabo blindado de dois fios com uma seção transversal de pelo menos 0,5 mm2.

Se o controlador estiver montado em um gabinete de metal, é recomendável que as tranças de blindagem sejam conectadas ao ponto de aterramento do gabinete. O comprimento das linhas de conexão pode atingir mais de dois quilômetros, calculado pelas fórmulas correspondentes. Não consideraremos nada aqui, mas acredite que sim.

Novos sensores, novos controladores

Com o advento de novos controladores, novos sensores analógicos HART (Transdutor remoto endereçável na estrada), que se traduz como "Medição do transdutor endereçável remotamente via tronco".

O sinal de saída do sensor (dispositivo de campo) é um sinal de corrente analógico na faixa de 4 ... 20 mA, no qual um sinal de comunicação digital com modulação de frequência (FSK - Frequency Shift Keying) é sobreposto.

Figura 10. Saída do sensor analógico HART

A figura mostra um sinal analógico e, ao redor, como uma cobra, um sinusóide se enrola. Este é um sinal modulado em frequência.Mas este não é um sinal digital, ainda precisa ser reconhecido. É perceptível na figura que a frequência do sinusóide ao transmitir um zero lógico é maior (2,2 KHz) do que ao transmitir uma unidade (1,2 KHz). A transmissão desses sinais é realizada por uma corrente com uma amplitude de ± 0,5 mA em forma senoidal.

Sabe-se que o valor médio do sinal sinusoidal é zero, portanto, a transmissão de informações digitais não afeta a corrente de saída do sensor 4 ... 20 mA. Este modo é usado ao configurar sensores.

A comunicação HART é feita de duas maneiras. No primeiro caso, o padrão, apenas dois dispositivos podem trocar informações através de uma linha de dois fios, enquanto o sinal analógico de saída 4 ... 20mA depende do valor medido. Este modo é usado ao configurar dispositivos de campo (sensores).

No segundo caso, até 15 sensores podem ser conectados à linha de dois fios, cujo número é determinado pelos parâmetros da linha de comunicação e pela potência da fonte de alimentação. Este é um modo multiponto. Nesse modo, cada sensor tem seu próprio endereço no intervalo de 1 a 15, no qual o dispositivo de controle acessa.

O sensor com endereço 0 está desconectado da linha de comunicação. A troca de dados entre o sensor e o dispositivo de controle no modo multiponto é realizada apenas por um sinal de frequência. O sinal de corrente do sensor é fixado no nível necessário e não muda.

No caso da comunicação multiponto, os dados significam não apenas os resultados reais das medições do parâmetro controlado, mas também todo um conjunto de todos os tipos de informações de serviço.

Primeiro de tudo, esses são os endereços dos sensores, comandos de controle, configurações. E toda essa informação é transmitida através de linhas de comunicação de dois fios. Mas é possível se livrar deles? É verdade que isso deve ser feito com cuidado, apenas nos casos em que a conexão sem fio não pode afetar a segurança do processo controlado.

Acontece que você pode se livrar dos fios. Já em 2007, o WirelessHART Standard foi publicado, o meio de transmissão é a frequência não licenciada de 2,4 GHz, que roda em muitos dispositivos sem fio de computador, incluindo redes locais sem fio. Portanto, os dispositivos WirelessHART podem ser usados ​​sem restrições. A Figura 11 mostra a rede sem fio WirelessHART.

Figura 11. WirelessHART sem fio

Essas tecnologias substituíram o antigo circuito analógico de corrente. Mas ela não desiste de sua posição, é amplamente utilizada sempre que possível.

Boris Aladyshkin