Технические средства автоматизации

Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называют устройство, преобразующее входную аналоговую величину в соответствующий ей цифровой эквивалент-код, являющийся выходным сигналом преобразователя. АЦП обеспечивает как дискретизацию непрерывного сигнала по времени, так и его квантование по уровню.

Существуют различные подходы к классификации АЦП: по структуре построения, по алгоритму работы, по виду аналоговой величины, подвергаемой кодированию, и др. Наиболее распространенной является классификация, по которой преобразователи подразделяются на две группы:

АЦП прямого преобразования или разомкнутые преобразователи, где отсутствует общая обратная связь с выхода на вход;

АЦП уравновешивающего или компенсационного преобразования с общей отрицательной обратной связью с выхода на вход, содержащей цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

В АЦП прямого преобразования при простоте их построения можно получить довольно высокое быстродействие, однако суммарная погрешность преобразователя равна сумме погрешностей отдельных звеньев. В зависимости от вида входной или промежуточной аналоговой величины, непосредственно подвергаемой аналого-цифровому преобразованию, существующие интегральные схемы АЦП прямого преобразования подразделяются на три основных вида:

АЦП частотного преобразования, в которых измеряемая величина (обычно напряжение) сначала преобразуется в последовательность электрических сигналов с частотой, пропорциональной измеряемой величине, а затем частота сигналов преобразуется в код путем подсчета числа этих сигналов за фиксированный, стабильный интервал времени цифровым счетчиком;

АЦП временного преобразования (в основном интегрирующие однотактные, двухтактные и многотактные АЦП), в которых измеряемая величина преобразуется в интервал времени, длительность которого определяется путем заполнения этого интервала импульсами стабильной частоты и их подсчета цифровым счетчиком (схема К572ПВ2);

АЦП амплитудного преобразования последовательного или параллельного типа, в которых входная величина (напряжение или ток) преобразуется сразу в код путем сравнения с набором опорных электрических величин.

Достоинствами АЦП частотного преобразования, и в частности входящего в него - преобразователя напряжение - частота (ПНЧ), являются высокая линейность и стабильность статических характеристик (_нл < 0,01 %). низкая чувствительность к помехам, удобство выходной величины - частоты - для передачи на расстояние без искажений, простота обеспечения гальванической развязки входной (аналоговой) и выходной (цифровой) частей. Простота схемной реализации делает этот типа АЦП предпочтительным при размещении его непосредственно на одном кристалле с датчиком. Недостатком АЦП является относительно низкое быстродействие, связанное с тем, что определяется среднее (а не мгновенное) значение частоты за стабильный интервал времени, и чем выше требуемая точность, тем больше должен быть этот интервал.

Метод время-импульсного преобразования, по которому построены АЦП временного преобразования, получил особенно большое распространение в цифровых вольтметрах благодаря своей относительной простоте, надежности, хорошей помехозащищенности и высокой линейности.

Наибольшее распространение благодаря своим высоким метрологическим характеристикам получили АЦП двухтактного интегрирования. К ним относится и схема К572ПВ2. Основным недостатком этого типа АЦП является низкое быстродействие.

Параллельные АЦП амплитудного преобразования, к которым относятся, являются наиболее быстродействующими из существующих типов преобразователей. В них преобразование аналоговой входной величины в код сводится к считыванию показаний через дешифратор с линейки, образуемой набором опорных мер и компараторов, поэтому их еще называют считывающими АЦП или АЦП непосредственного сравнения. Схемная сложность этого типа АЦП очень быстро возрастает по мере увеличения их точности (или количества двоичных разрядов), поэтому современные интегральные схемы параллельных АЦП имеют обычно число двоичных разрядов не более восьми, что соответствует размещению в одном кристалле 256 компараторов, не говоря уже о сложности дешифратора.

В АЦП уравновешивающего преобразования благодаря наличию общей отрицательной обратной связи можно получить значительно меньшую суммарную погрешность, которая в этом случае определяется в основном погрешностью цепи обратной связи, т.е. погрешностью ЦАП. В зависимости от характера изменения компенсирующей аналоговой величины, вырабатываемой ЦАП, они делятся на АЦП развертывающего (циклического) и следящего преобразования. Среди всех интегральных схем АЦП наибольшее распространение получили АЦП развертывающего преобразования, в которых компенсирующая величина изменяется повторяющимися циклами по ступеням, веса которых различны и соответствуют двоичной системе счисления. Такие АЦП получили название АЦП поразрядного уравновешивания или последовательного приближения. В них наряду с хорошим быстродействием (t_пр < 1 мкс) обеспечивается достаточно высокая разрешающая способность (до 16 двоичных разрядов). Наибольшая трудность изготовления таких АЦП связана со сложностью изготовления на одном кристалле или в одном корпусе таких разнородных компонентов, как прецизионные делители, аналоговые ключи, схемы стабилизации и цифровые схемы. Поэтому схемы АЦП с числом двоичных разрядов 14-16 выполняются в основном по гибридной или модульной технологии, что ведет к увеличению их стоимости.

Рассмотрим схемы некоторых АЦП.

АЦП прямого преобразования. АЦП - двухтактного (двойного) интегрирования. АЦП содержит генератор опорного напряжения ГОН, интегратор И, компаратор К, тактовый генератор ТГ, логический преобразователь ЛП и счетчик С (рис. 6.13, а).



а б

Рис. 6.13. Преобразование аналогового сигнала в цифровой методом интегрирования: а - схема; б - временная диаграмма (ГОН - генератор опорного напряжения, И -интегратор, К - компаратор, ТГ - тактовый генератор, С - счетчик, ЛП - логический преобразователь)

Рабочий цикл разбивается на три периода: коррекция нуля (Ф₁, интегрирование входного сигнала (Ф₂) и интегрирование опорного напряжения (Ф₃) (рис. 6.13, б). В первом периоде Ф₁ вход АЦП отключен, выключатели В, С замыкаются и конденсатор С₂ заряжается до выходного напряжения компаратора К, запоминая ошибку АЦП при отсутствии сигнала. В периоде Ф₂ выключатели В, С размыкаются, выключатель А устанавливается в положение 1 и происходит рост напряжения на выходе интегратора пропорционально U_вx с отсчетом заданного числа Т₂ импульсов от тактового генератора ТГ. В третьем периоде выключатель А устанавливается в положение 2 и на вход интегратора подается опорное напряжение противоположной полярности. Его выходное напряжение начинает падать до нуля за время импульсов Т₃. Цифровой код формируется в счетчике С в зависимости от числа импульсов тактового генератора ТГ. Он определяется по отношению числа импульсов в периодах Ф₃ и Ф₂:

. (6.10)

Точность метода интегрирования зависит только от стабильности опорного напряжения.

АЦП уравновешивающего преобразования. АЦП последовательного приближения. Метод основан на приближенном преобразовании аналогового сигнала в цифровой код, преобразовании кода снова в аналоговый сигнал и сравнении получившегося сигнала с выходным. Если получившееся значение меньше входного, то соответствующий разряд равен единице, если больше - то он равен нулю. Перебор разрядов продолжается до тех пор, пока оба значения не станут равными. АЦП последовательного приближения содержит компаратор К, тактовый генератор ТГ, блок последовательного сравнения БПС, цифровой регистр ЦР и цифро-аналоговый преобразователь ЦАП (рис. 6.15, а).

а б

Рис. 6.15. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму методом последовательного приближения:

а - схема преобразователя (К - компаратор, ТГ - тактовый генератор, БПС - блок последовательного сравнения, ЦР - цифровой регистр, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь);

б - принцип преобразования

На первом шаге тактового генератора сигнал S(t) проходит через компаратор К, блок последовательного сравнения и устанавливает значение первого разряда равным 1. Это значение преобразуется цифро-аналоговым преобразователем ЦАП в непрерывную величину, которая подается на второй вход компаратора. Если она меньше, чем S(t), то значение первого разряда меняется на 0. На втором шаге то же самое происходит для второго разряда (рис. 6.15, б). Если выходное напряжение ЦАП меньше S(t), то значение второго разряда остается равным 1. Через несколько шагов выходное напряжение ЦАП для заданного числа разрядов становится равным входному S(t) и преобразование заканчивается. После этого сформированный выходной код передается на вход устройства управления. Продолжительность преобразования в п-разрядный код равна общей длительности п импульсов тактового генератора.

Основные технические характеристики АЦП, определяющие возможность их использования для конкретной измерительной задачи, можно разбить на метрологические (точностные), временные и надежностные. Точностные характеристики определяются различными по природе погрешностями, содержащими динамические и статические составляющие. Характеризуя точность собственно АЦП, обычно имеют в виду погрешности, подразделяющиеся на методическую, являющуюся следствием квантования непрерывной величины и называемую погрешностью квантования (_к), и инструментальную (аппаратурную) (_и), связанную с неидеальностью используемых элементов, а также с шумами и помехами во входном сигнале и в узлах АЦП. При проектировании АЦП стремятся скомпенсировать влияние отдельных составляющих аппаратурной погрешности и свести суммарную погрешность измерения к допустимому уровню.

Погрешность квантования. Между соседними кодовыми комбинациями непрерывный сигнал округляется до ближайшей кодовой комбинации (рис. 6.16). Следовательно, погрешность квантования равна половине напряжения между соседними дискретными значениями входного напряжения. Максимальное значение погрешности квантования связано с чувствительностью АЦП q и равно

, (6.11)

где 1МР=Х_тах/N_тах - единица младшего разряда или шаг квантования - наименьшее аналоговое изменение входного сигнала, которое может различаться преобразователем; N_тах = 2ⁿ1- максимальное число уровней квантования; п - число двоичных разрядов, определяющее разрешающую способность АЦП.

Рис. 6.16. Погрешность квантования АЦП

Связь выходного сигнала АЦП с входным напряжением может отличаться от прямой линии. Максимальное отклонение от прямой называют погрешностью нелинейности, измеряемой в процентах от диапазона преобразования.

Погрешность смещения оценивают значением входного напряжения при котором выходной код имеет нули во всех разрядах..

Инструментальная погрешность - это суммарная погрешность, определяемая влиянием погрешностей настройки, связанной с разбросом параметров элементов АЦП, температурной и временной нестабильности параметров отдельных узлов и элементов, погрешности от изменения параметров внешних источников питания и сигналов управления. По характеру изменения вдоль диапазона погрешности подразделяются на аддитивные, или погрешности смещения нуля, и мультипликативные, или погрешности масштаба (коэффициента передачи). В современных измерительных приборах и системах эти погрешности снижаются до требуемого уровня либо начальной настройкой, либо автоматической коррекцией, в том числе и с помощью микропроцессора. Еще один вид инструментальной погрешности - нелинейность - связан с отклонением характеристики преобразования АЦП от идеальной прямой во всем диапазоне изменения входного сигнала. Отдельно выделяют дифференциальную нелинейность, определяемую как отклонение приращения входного аналогового сигнала от шага квантования при изменении цифрового выходного кода на смежное значение.

Разрешающая способность - минимальное значение аналогового сигнала, которое еще может различаться преобразователем. Для п-разрядного АЦП разрешающая способность оценивается путем деления диапазона изменений входного напряжения на число уровней квантования:

(6.12)

Временные характеристики определяют быстродействие АЦП. Различают следующие основные временные характеристики:

последовательными выборками входного сигнала;

время преобразования t_пр, определяемое задержкой между моментом подачи скачка входной величины и моментом выдачи кода, соответствующего данной выборке;

время выборки t_в (стробирования), т.е. временной интервал, в течение которого происходит образование одного выборочного значения и входной сигнал непосредственно взаимодействует с АЦП. В первом приближении можно считать, что вне интервала t_в входная величина не оказывает влияния на результат преобразования, t_в < t_пр . При работе без схемы выборки - хранения t_в < t_пр .

Период дискретизации не может быть меньше времени выполнения одного преобразования, т.е. Т_д < t_пр . В общем случае выбор частоты при равномерной дискретизации F_д=1/Т_д будет зависеть также от допустимого уровня погрешностей, возникающих при восстановлении исходного сигнала в любой момент времени по его выборкам.

Время преобразования определяется как быстродействием отдельных входящих в АЦП цифровых устройств, так и временем установления, необходимым для завершения переходных процессов установления сигнала с требуемой точностью в аналоговых устройствах (усилителях, делителях, схемах выборки - хранения и др.).

4.2 Цифроаналоговые преобразователи

Цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) называется устройство, преобразующее входное сообщение из цифровой формы представления в аналоговую.

ЦАП находят широкое применение не только как составная часть АЦП уравновешивающего преобразования, но и в качестве устройств сопряжения контроллеров управляющими и регистрирующими устройствами, в программируемых источниках питания и генераторах функций и др. ЦАП, в которых источник опорного напряжения может изменяться, обычно называют "умножающими", а ЦАП c внутренним неизменным источником - "полным".

Многие технические характеристики ЦАП в основном те же, что и у АЦП. Следует отметить, что у ЦАП проявляется одна из наиболее трудно устранимых погрешностей - дифференциальная нелинейность, связанная с разбросом параметров резисторов в делителе и аналоговых ключах.

Динамические погрешности ЦАП, как и АЦП, обусловлены инерционностью отдельных элементов и узлов, входящих в ЦАП. Однако ЦАП имеют и так называемую коммутационную помеху в виде выходных всплесков при смене входного кода. Такие всплески представляют собой острые пики выходного сигнала, возникающие за счет несинхронности открывания и закрывания аналоговых ключей в разных разрядах делителя ЦАП. Наиболее значительно они проявляются при продолженных переходах, когда кодовая комбинация типа 011...1 сменяется на 100...0. При этом за счет более медленного выключения ключей на выходе ЦАП будет существовать некоторое время сигнал, соответствующий коду 111... 1, который воспринимается как коммутационная помеха. Эта помеха характерна для быстродействующих ЦАП, где сведены к минимуму емкости, которые могли бы ее сгладить. Радикальным способом подавления выбросов является использование вместе с ЦАП устройств выборки - хранения или стробируемых компараторов.

Широко распространенная схема ЦАП на базе матрицы сопротивлений типа R-2R показана на рис. 6.17. С помощью переключателей S₁-S₈ на схеме условно показаны значения отдельных двоичных разрядов входного кода ЦАП. Если. все разряды имеют низкий уровень (0), то выходное напряжение равно нулю. На практике, однако, в этом случае на выходе может быть некоторое напряжение, вызванное напряжением смещения операционного усилителя. Для устранения этого напряжения служит схема автоматической балансировки, условно показанная на рис. 6.17 с помощью потенциометра "баланс". Если старший значащий разряд S₈ равен 1, выходное напряжение примерно равно 1/2E_оп так как коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, равен отношению сопротивления обратной связи к сопротивлению на входе. Аналогично, если установлен (т.е. равен 1) только 7-й разряд, то выходное напряжение равно 1/4E_оп ,а вклад младшего разряда байта в выходное напряжение равен 2^-8E_оп . Полное выходное напряжение равно сумме вкладов отдельных разрядов:

,

где S_i, - значения разрядов входного байта преобразователя. Для работы рассмотренного ЦАП необходим источник прецизионного напряжения E_оп.

Рис. 6.17. Схема цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

4.3 Вывод выходных сигналов на исполнительные устройства

Расчетные значения управляющих воздействий или их приращений представляются в цифровом приборе в виде двоичных чисел. Для управления исполнительными устройствами непрерывного типа (пневматическими, гидравлическими или электрическими приводами) необходимо преобразование цифровых данных в соответствующие аналоговые сигналы. Это преобразование выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и фиксирующих элементов с памятью, сохраняющих преобразованные значения управляющих воздействий в промежутках между моментами обращения управляющей программы к ЦАП.

Обычно один ЦАП используют для управления несколькими исполнительными устройствами (рис. 6.19) с помощью коммутатора (демультиплексора), передающего сигнал с выхода ЦАП на один из фиксирующих элементов, запоминающих преобразованный выходной сигнал в промежутке между обращениями к данному исполнительному устройству. Для управления непрерывными исполнительными устройствами, входящими в систему ГСП, на их вход должны выдаваться сигналы определенного уровня (0-10 В, 0-20 мА или 4-20 мА постоянного тока) с выхода устройства вывода информации из контроллера.

В дальнейшем этот сигнал усиливается в устройстве и преобразуется в положение регулирующего органа. Иногда между контроллером и исполнительным устройством включается промежуточный (например, электропневматический) преобразователь управляющего сигнала. В современных исполнительных устройствах цифроаналоговые преобразователи в интегральном исполнении вместе со схемой приема двоичного кода из МПС входят в состав самого устройства. В этом случае управляющее воздействие выводится из МПС непосредственно, без цифроаналогового преобразования, обычно в последовательном коде.

Рис. 6.19. Вывод сигналов на исполнительные устройства:

ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; Ф схема выборки хранения (фиксатор)

Для управления абсолютным положением регулирующего органа (0-100%) МПС может выдавать сигналы одного знака, но ЦАП в этом случае должен иметь достаточно большую разрядность (8-12 бит), для того чтобы обеспечить достаточную точность преобразования. При выдаче приращения управляющего воздействия требования к разрядности ЦАП ниже (6-8 бит), но выходной сигнал машины должен быть разного знака.

По принципу действия исполнительные устройства можно разбить на следующие 4 группы:

1) исполнительные устройства с пропорциональными характеристиками (мембранные исполнительные механизмы, гидроприводы с механической обратной связью);

2) интегрирующие исполнительные устройства (гидроприводы без обратной связи, приводы на основе электродвигателей постоянного тока с регулируемой скоростью);

3) интегрирующие исполнительные устройства с постоянной скоростью (реверсивные электродвигатели переменного тока);

4) исполнительные устройства дискретного типа (шаговые двигатели).

В исполнительных устройствах 1-й группы перемещение регулирующего органа прямо пропорционально управляющему воздействию. В исполнительных устройствах 2-й группы управляющая переменная воздействует на скорость перемещения регулирующего органа, поэтому его положение определяется как интеграл от управляющего воздействия. В исполнительных устройствах 3-й группы регулирующий орган перемещается с одной и той же скоростью как в прямом, так и в обратном направлении. Управляющая переменная на входе таких исполнительных устройств должна быть преобразована в длительность разнополярных импульсов включения привода. Импульсы одной полярности включают привод на перемещение регулирующего органа в прямом направлении, а импульсы другой полярности - на перемещение в обратном направлении. Для преобразования двоичного кода управляющего воздействия в такую последовательность импульсов используют специализированные ЦАП. Текущее положение регулирующего органа в исполнительных устройствах 3-й группы определяется как интеграл от последовательности управляющих импульсов с учетом их полярности.

Дискретные исполнительные устройства типа шаговых двигателей (4-й группы) особенно удобны для сопряжения с МПС, поскольку ЦАП в этом случае не требуется. Положение регулирующего органа в подобных устройствах пропорционально числу поступающих от МПС управляющих импульсов, которое и является управляющим воздействием.

5. ЦИФРОВЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

5.1 Датчики давления КЭР-АИП, КЭР-АИ

Датчики давления КЭР-АИП-01 (рис. 1, а) и КЭР-АИ-02 (рис. 1, б) предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин - давления избыточного, абсолютного, разрежения, давления-разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи, цифровой сигнал на базе HART-протокола.

а б

Рис. 3.1. Датчики давления КЭР-АИП-01 (а) и КЭР-АИ-02 (б)

Датчики КЭР-АИ-02 имеет штуцерный тип подсоединения в отличие от КЭР-АИП-01, который снабжен фланцевым подсоединением к технологическим коммуникациям (рис.3.1).

Датчики разности давлений могут использоваться в устройствах, предназначенных для преобразования значения уровня жидкости, расхода жидкости, пара или газа в унифицированный токовый выходной сигнал, цифровой сигнал па базе HART-протокола.

Датчики предназначены для работы со вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, воспринимающими стандартные сигналы постоянного тока 4-20 мА, цифрового сигнала на базе HART-протокола. Датчики имеют выходной аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА.

HART протокол принадлежит к системам FSK (Frequency Shift Keying), в которых несущая переключается сигналами с одной частоты на другую при неизменной амплитуде, был разработан компанией Rosemount Inc.

HART (Highway Addressable Remote Transducer - адресуемый дистанционный магистральный преобразователь) протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом FSK для обмена данными на скорости 1200 Бод; сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4-20 мА. Поскольку среднее значение частотного сигнала равно нулю, цифровая связь не влияет на токовый сигнал (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Аналоговый и цифровые сигналы по HART протоколу

Частотная модуляция помехоустойчива, поскольку искажению при помехах подвергается в основном амплитуда сигнала, а не частота.

Датчики с HART-протоколом могут передать информацию об измеряемой величине в цифровом виде по двухпроводной линии связи вместе с сигналом постоянного тока 4-20 мА. Этот цифровой сигнал может приниматься и обрабатываться любым устройством, поддерживающим протокол HART. Цифровой выход используется для связи датчика с портативным ручным HART-коммуникатором или с персональным компьютером через стандартный последовательный порт и дополнительный HART-модем, при этом может выполняться настройка датчика, выбор его основных параметров, перенастройка диапазонов измерений, корректировка «нуля» и ряд других операций. HART-протокол допускает в системе наличие двух управляющих устройств: системы управления и ручного коммуникатора. Эти два управляющих устройства имеют разные адреса и, следовательно, датчик КЭР может распознать и выполнить команды каждого из них. Таким образом, по двухпроводной связи передается два типа сигналов - аналоговый сигнал 4-20 мА и цифровой сигнал на базе протокола HART, который накладывается на аналоговый выходной сигнал датчика, не оказывая на него влияния.

Примеры записи обозначения датчика:

КЭР-АИП-01-CD-01-100 кПа - датчик перепада давления КЭР-АИП-CD, модель 01, с микропроцессорным электронным преобразователем, климатического исполнения Т3, для работы при температуре от минус 25 до плюс 70 С, с пределом допускаемой основной погрешности 0,1, с верхним пределом измерений 100 кПа, с выходным сигналом 4 - 20 мА.

Датчики КЭР-АИП являются многопредельными и настраиваются на верхний предел измерений или диапазон измерений от Р_min дo P_max (табл. 1). Датчики могут быть настроены на верхний предел измерений или диапазон измерений по стандартному ряду давлений по ГОСТ 22520, или на верхний предел или диапазон измерений, отличающийся от стандартного, с перенастройкой диапазонов 100:1. При выпуске предприятием-изготовителем датчик настраивается на верхний предел измерений, выбираемый в соответствии с заказом из ряда значений, указанных в таблице 1.

Таблица 1

Наименование датчика	Датчик избыточного давления	Датчик абсолютного давления	Датчик перепада давления
Модель	КЭР-АИП-CG	КЭР-АИП-СА	КЭР-АИП-CD-01 КЭР-АИП-НР-01
Минимальный нижний предел измерений Pmin (кПа)	1	38	1
Максимальный верхний предел измерений Pmax (МПа)	6,894	6,894	6.894
Ряд верхних пределов измерений или диапазонов измерений от Pmin до Pmax по ГОСТ 22520	1; 1,6; 2,5; 4; 6, 10; 16; 25; 40; 60; 100; 160; 250; 400; 600 (кПа); 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10 (МПа)	40; 60; 100; 160; 250; 400; 600 (кПа); 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10 (МПа)	1; 1.6; 2.5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 63; 100; 160; 250; 400; 600; 630 (кПа)

Пределы допускаемой основной приведенной погрешности датчиков, выраженные в процентах от нормирующего значения 0,1%. За нормирующее значение принимается верхний предел измерений входной измеряемой величины.

Дополнительная погрешность датчиков, вызванная изменением температуры окружающего воздуха в рабочем диапазоне температур, выраженная в процентах от диапазона изменения выходного сигнала, на каждые 10С не превышает значений указанных в табл. 2.

Таблица 2

Предел допускаемой основной погрешности	Дополнительная температурная погрешность на каждые 10С, %
0,1

Влияние вибрации на погрешность незначительно, за исключением резонансных частот. При резонансных частотах дополнительная погрешность, вызванная воздействием вибрации не превышает ± (0,1 P_max) % на единицу перегрузки (g) от 10 до 2000 Гц в любом направлении, где: P_max - максимальный верхний предел измерений.

Вариация выходного сигнала не превышает абсолютного значения допускаемой основной погрешности.

Датчики серии КЭР имеют линейно-возрастающую зависимость выходного сигнала от входной измеряемой величины (давления). Номинальная статическая характеристика датчика соответствует виду

,

где: I - текущее значение выходного сигнала;

Р - значение измеряемой величины;

I_в, I_н - соответственно верхнее и нижнее предельные значения выходного сигнала, равные: I_в = 20 мА, I_н = 4 мА;

P_в - верхний предел измерений;

P_н - нижний предел измерений.

Электрическое питание датчиков КЭР-АИП и КЭР-АИ с выходным сигналом 4-20 мА должно осуществляется от источника питания постоянного тока напряжением в диапазоне от 12 до 45 В. Пульсация выходного напряжения питания не должна превышать 0,5% от номинального значения выходного напряжения при частоте гармонических составляющих, не превышающей 500 Гц.

Схемы внешних электрических соединений датчиков КЭР-АИП и КЭР-АИ приведены на рис. 3.3, 3.4.



Рис. 3.3. Схема электрических соединений датчика с выходным сигналом 4 - 20 мА

Рис. 3.4. Схема электрических соединений датчика с выходным сигналом 4 - 20 мА

Допускаемые нагрузочные сопротивления датчиков приведены в табл. 3.

Таблица 3

Выходной сигнал, мА	Напряжение питания, В	Сопротивление нагрузки
		Rmin, Ом	Rmax, Ом
4 - 20	10,5 - 55	Rmin = 0 при Uп = 36 B Для работы по HART- протоколу Rmin =250 Ом при напряжении питания от 16,25 до 55 В	Rmax = = 43,5(Uп - 10,5)
Примечание: Uп - напряжение питания датчика, В

Пределы допускаемого напряжения питания в зависимости от нагрузочного сопротивления приведены на рис. 3.5. Следует иметь в виду, что связь HART требует нагрузки не ниже 250 Ом и не выше 1100 Ом

Рис. 3.5. Пределы допускаемого напряжения питания в зависимости от нагрузочного сопротивления

Потребляемая мощность датчика не превышает 1,0 ВА для датчиков с выходным сигналом 4-20 мА. Датчики устойчивы к воздействию атмосферного давления от 84,0 до 106,7 кПa (группа Р1 по ГОСТ 12997). Датчики устойчивы к воздействию температуры окружающего воздуха, от минус 25 С до плюс 70 С (по ГОСТ 15150). Датчики исполнения Т3 по ГОСТ 15150 устойчивы к воздействию относительной влажности окружающего воздуха 100 % при температуре плюс 35 ^ОС и более низких температурах с конденсацией влаги. Степень защиты датчиков от воздействия пыли и воды соответствует группе IP65 по ГОСТ 14254. По устойчивости к механическим воздействиям датчики соответствуют виброустойчивому исполнению V3 по ГОСТ 12997.

Датчики предназначены для измерения давления, перепада давления по отношению к которым материалы, контактирующие с измеряемой средой, являются коррозионно-стойкими (сталь 12Х18Н10Т, сплав ВТ-9).

Пульсация выходного сигнала в диапазоне частот от 0,06 до 5 Гц не должна превышать основной приведенной погрешности. Пульсация выходного сигнала в диапазоне частот от 5 до 10 Гц не должна превышать 1,5 % от диапазона изменения выходного сигнала для выходного сигнала 4-20 мА. Пульсация выходного сигнала с частотой свыше 10 Гц не нормируется. Пульсация выходного сигнала нормируется при нагрузочном сопротивлении 250 Ом.

В режиме измерения давления и перепада давления датчики обеспечивают постоянный контроль своей работы и формируют сообщение о неисправности в виде уменьшения выходного сигнала ниже значения 3,7 мА.

Датчики выдерживают воздействие перегрузки испытательным давлением, указанным в таблице 5, в течение 15 мин.

Таблица 5

Наименование датчиков	Верхний предел измерений, МПа	Испытательное давление в процентах от максимального верхнего предела измерений
Датчик избыточного давления	до 10	125
Датчик абсолютного давления	от 0,25 и более	125
Датчик перепада давления	до 10	125
Датчик перепада давления	до 32	125

Влияние изменения статического давления может вызвать отклонение «нуля» в пределах ± (0,05% Рmax)/6,9 MПа при давлении в линии от 0 до 13,7 МПа и может быть устранено калибровкой «нуля». Отклонение диапазона ± 0,1 % от измеряемого диапазона.

Изменение монтажного положения не влияет на выходной сигнал, соответствующий верхней границе диапазона измерений. Отклонение нуля составляет до 0,311 кПа. В любом варианте смещение нуля может быть устранено калибровкой.

Влияние напряжения источника питания менее ± 0,005 % на 1 В от диапазона изменения выходного сигнала.

Датчики обеспечивают возможность настройки на смещенный диапазон измерений с установкой начального значения выходного сигнала (смещение «нуля») при значении измеряемого параметра в пределах от нуля до

Р_н = Р _mах - Р_min ,

где: Р _mах - максимальный диапазон измерений модели (табл. 2);

Р_min - минимальный диапазон измерений для датчиков данной модели(табл. 2).

При указанных выше настройках верхний предел (диапазон) измерений не должен превышать максимального значения для данной модели.

Предельные значения (уровни ограничения) выходного сигнала в диапазоне измеряемых давлений, разности давлений приведены в таблице 6.

Таблица 6

Выходной сигнал, мА	Предельные значения выходного сигнала, мА
	Нижнее	Верхнее
4-20	3,76±0,02	21,76±0,16

Время включения датчика, измеряемое как время от включения питания датчика до установления аналогового выходного сигнала с погрешностью не более 5% от установившегося значения, не более 1,8 с при отключенном усреднении выходного сигнала (на индикаторе отображается время усреднения 0,2 с).

Датчики имеют два режима работы:

1) режим измерения давления (перепада давления);

2) режим установки и контроля параметров измерения.

На дисплее индикатора датчика КЭР или HART-коммуникатора в режиме измерения давления отображается величина измеряемого давления в цифровом виде, в установленных при настройке единицах измерения или в процентах от диапазона изменения выходного сигнала.

Датчики в соответствии с ГОСТ 27.003 относятся к изделиям конкретного назначения, вида I, непрерывного длительного применения, восстанавливаемым, ремонтируемым.

Средняя наработка на отказ датчика с учетом технического обслуживания, регламентируемого настоящим руководством по эксплуатации, составляет 150000 ч.

Средний срок службы датчиков составляет не менее 12 лет, кроме датчиков эксплуатируемых при измерении параметров агрессивных сред, средний срок службы которых зависит от свойств агрессивной среды, условий эксплуатации.

Масса датчиков КЭР-АИП-01, не более 3,6 кг. Вентильный блок, не более 2,5 кг.

Устройство и работа

Конструктивно датчик состоит из корпуса 1, мембранного емкостного преобразователя 2 и электронной монтажной платы 3 (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Конструкция датчика

Измерительная часть датчиков серии КЭР состоит из двух основных частей: сенсора и электронной монтажной платы, предназначенных для преобразования давления, перепада давления в сигнал 4 - 20 мА постоянного тока.

В датчиках серии КЭР-АИП используется сенсорный модуль на базе емкостной ячейки. Давление через разделительную мембрану и заполняющую жидкость передается на измерительную мембрану, расположенную между пластинами конденсатора. Под воздействием измеряемого давления мембрана прогибается и в результате изменяется электрическая емкость ячеек, образованных сенсорной мембраной и пластинами конденсатора. Разделительная мембрана представляет собой лист плотного упругого элемента, используемый для измерения давления, его смещение пропорционально давлению с максимальным смещением 0,10 мм.

Генерируемый электрический сигнал преобразуется в цифровой и передается на микроконтроллер (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Блок-схема измерительной части датчика

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) используется для преобразования давления (перепада давления) на чувствительном элементе в цифровой сигнал, пропорциональный измеряемому давлению для передачи в микропроцессор (рис. 3.7).

Датчик температуры необходим для измерения температуры сенсора давления (перепада давления) с целью коррекции выходного сигнала при работе датчика в условиях эксплуатации.

Энергонезависимое перепрограммируемое запоминающее устройство (ЭСППЗУ) сохраняет в памяти данные по температурной компенсации датчика, калибровочную информацию точной цифровой настройки. В случае отключения питания данные сохраняются в памяти.

Микропроцессор, конструктивно расположенный на электронной монтажной плате, обрабатывает информацию, полученную из АЦП, вычисляет истинные значения давления (перепада давления) и преобразует в напряжение. При математической обработке используется калибровочная и температурная информация, хранящаяся в ЭСППЗУ. Далее преобразованное напряжение передается в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который формирует выходной унифицированный токовый сигнал, и в секцию связи протокола HART.

Программное обеспечение датчика обеспечивает возможность пользователю, используя доступ по HART-протоколу, провести конфигурирование, диагностику и калибровку датчика.

С помощью функции конфигурирования можно установить рабочие параметры датчика:

- Давление (перепад давления) в точках 4 и 20 мА;

- значение времени демпфирования (от 0 до 36 с - по выбору пользователя);

- физические единицы измеряемых параметров;

- сообщение 32 алфавитно-цифровых знака;

- дата и др. параметры.

Кроме этих конфигурационных параметров в программном обеспечении датчика содержится информация, которая не может быть изменена пользователем: тип датчика, пределы сенсора, минимальная шкала, заполняющая жидкость, изоляционные материалы, серийный номер модуля и номер версии программного обеспечения.

Датчик проводит непрерывную самодиагностику. При возникновении неисправности датчик активизирует предупредительный сигнал, выбираемый пользователем.

Коммуникатор HART или система управления могут затем запросить датчик о характере неисправности. Датчик выдает информацию для выполнения корректирующих действий. Если оператор считает, что неисправность возникла в цепи, датчик может быть настроен на выдачу специального выходного сигнала для тестирования цепи.

Датчик имеет жидкокристаллический индикатор, который отображает в цифровом виде значения измеренных параметров в физических единицах или в процентах от аналоговой шкалы. Кроме этого отображает диагностические сообщения о неисправностях.

6. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ-РЕГУЛЯТОРЫ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЦИФРОВЫХ РЕГУЛЯТОРОВ (на примере приборов компании «ОВЕН»

Функциональная схема цифрового ПИД - регулятора

В нем устанавливаются два однотипных дискретных ВУ (2 э/м реле, 2 транзисторные оптопары, 2 симисторные оптопары, 2 выхода для управления внешним твердотельным реле).

Пример подключения управляющих цепей электропривода двигателя МЭО

Режим ПИ-регулятора для управления задвижками и трехходовыми клапанами. ТРМ12 управляет электромеханическим приводом задвижки без учета ее положения. Он вычисляет оптимальную для регулирования среднюю скорость перемещения задвижки и преобразует ее в длительность выходных импульсов. На рисунке приведена схема подключения электропривода двигателя механизма исполнительного однооборотного (МЭО). Реле КМ1 управляет кон тактами, открывающими МЭО, реле КМ2 - закрывающими его.

Режим ПИД- регулятора для управления системой «нагреватель-холодильник». Данный режим используется, если для управления применяются два исполнительных устройства: «нагреватель» и «холодильник».

Выходной сигнал ПИД-регулятора преобразуется в длительность импульсов по принципу ШИМ. Период следования импульсов задается пользователем в диапазоне от 1 до 99 с, а их длительность пропорциональна величине выходного сигнала ПИД-регулятора.

Функциональная схема совмещенного цифрового двухпозиционного, аналогового П-регулятора и цифрового регистратора

4-х разрядный цифровой индикатор в режиме РАБОТА отображает значение измеряемой величины, а в режиме ПРОГРАММИРОВАНИЕ - значения программируемых параметров прибора.

Светодиоды «Т» и «» засвечиваются в режиме ПРОГРАММИРОВАНИЕ и сигнализируют о том, какой параметр выбран для установки: Т - уставка регулируемой величины; - гистерезис двухпозиционного регулятора или полоса пропорциональности П-регулятора.

Светодиод «К» сигнализирует о включении выходного устройства.



Светодиод «I» сигнализирует о выводе на индикатор текущего измерения (непрерывная засветка) и об аварии на входе (мигающая засветка).

Кнопка «ПРОГ» предназначена для входа в режим ПРОГРАММИРОВАНИЕ, а также для записи установленных значений программируемых параметров в энергонезависимую память прибора.

Кнопка предназначена для просмотра заданного значения уставки регулируемой величины. Кнопками и в режиме ПРОГРАММИРОВАНИЕ увеличивают или уменьшают значение программируемого параметра.

ПИД-регулятор управляет нагрузкой одним из двух методов:

импульсным, если ВУ1 - ключевого типа;

аналоговым, если ВУ1 - ЦАП с выходным сигналом тока 4...20 мА

Двухпозиционный регулятор имеет на вы ходе э/м реле (ВУ2) и работает независимо от ПИД-регулятора по своим уставкам; обычно используется для сигнализации.

Для управления трехфазной нагрузкой в прибор ус танавливается только одно ВУ - три симисторные оптопары, имеющие схему контроля перехода через ноль.

4-х разрядный цифровой индикатор в режиме РАБОТА отображает значение измеряемой величины, а в режиме ПРОГРАММИРОВАНИЕ - значения программируемых параметров прибора.

Светодиоды «Т», «_и», «_д», «Х_р», «С1», «С2» в режиме ПРОГРАММИРОВАНИЕ сигнализируют о том, какой параметр выбран для установки:

«Т» - уставка ПИД-регулятора; «С1» - нижняя уставка компаратора; «С2» - верхняя уставка компаратора; «_и», «_д», «Х_р» - коэффициенты ПИД-регулятора.

Светодиоды «К1» и «К2» сигнализируют о включении выходных устройств:

«К1» - ВУ ПИД-регулятора;

«К2» - реле двухпозиционного регулятора.

Кнопка ПРОГ предназначена для входа в режим ПРОГРАММИРОВАНИЕ, а также для записи установленных значений параметров в память прибора.

Кнопка в режиме ПРОГРАММИРОВАНИЕ предназначена для изменения значений программируемых параметров,

кнопка - для выбора изменяемого разряда параметра.

ВУ1, ВУ2 - выходные устройства

ПИД-регулятор позволяет точно управлять нагрузкой одним из двух методов:

· импульсным, если ВУ1 - ключевое (типа Р, К, С, Т);

· аналоговым, если ВУ1 - ЦАП 4...20 мА или 0...10 В (типа И, У).

ТРМ210 может работать также в режиме двухпозиционного регулирования.

ВУ2 может быть использовано:

· для сигнализации об аварийной ситуации или блокировки оборудования, если ВУ2 - ключевое;

· для регистрации измеренной величины, если ВУ2 - ЦАП 4...20 мА.

Обнаружение обрыва в цепи регулирования (LBA)

ТРМ210 контролирует скорость изменения регулируемой величины. Если при подаче максимального управляющего воздействия измеряемое значение регулируемой величины не меняется в течение определенного времени, ТРМ210 выдает аварийный сигнал.

Интерфейс RS-485

В ТРМ210 установлен модуль интерфейса RS-485, организованный по стандартному протоколу ОВЕН. Интерфейс RS-485 позволяет:

· конфигурировать прибор на ПК (программа-конфигуратор предо ставляется бесплатно);

· передавать в сеть текущие значения измеренной величины и выходной мощности регулятора, а также любых программируемых параметров.

Подключение ТРМ210 к ПК производится через адаптер ОВЕН АСЗ-М или АС4.

При интеграции ТРМ210 в АСУ ТП в качестве программного обеспечения можно использовать SCADA-систему Owen Process Manager (см. раздел XVII) или какую-либо другую программу.

Обобщенная функциональная схема измерителей - регуляторов

Измерители-регуляторы температуры состоят из следующих функциональных блоков (см. рисунок):

· входы - служат для подключения к прибору различных типов датчиков;

· блок обработки входного сигнала - включает коррекцию показаний датчиков, цифровые фильтры и вычислители дополнительных величин (разности, отношения и т.п.);

· логические устройства (ЛУ) - формируют управляющие сигналы для выходных устройств;

· выходные устройства (ВУ) - служат для передачи регистрирующих или управляющих сигналов на исполнительные механизмы.



6.1 Коррекция измерений (компенсация погрешности датчиков)

Для устранения начальной погрешности преобразования входных датчиков и погрешностей, вносимых соединительными проводами, измеренное прибором значение может быть откорректировано. В большинстве приборов ОВЕН существует два типа коррекции, позволяющих осуществлять сдвиг или изменение наклона измерительной характеристики на заданную величину.

Сдвиг характеристики

(пример для датчика ТСМ50, W₁₀₀ = 1,426)

К каждому измеренному значению параметра Т_изм прибавляется заданное пользователем значение («сдвиг характеристики»).

Используется для компенсации погрешностей, вносимых сопротивлениями подводящих проводов (R) при использовании двухпроводной схемы подключения термопреобразователей сопротивления.

Изменение наклона характеристики

(пример для датчика ТСМ50, W₁₀₀ = 1,426; =0,00426)

Каждое измеренное значение параметра Т_изм умножается на заданный пользователем в пределах 0,900...1,100 поправочный коэффициент («наклон характеристики»).

Используется для компенсации погрешностей датчиков при отклонении значения W₁₀₀() от номинального.

Цифровая фильтрация измерений

Цифровая фильтрация входного сигнала уменьшает влияние случайных импульсных помех на показания. В большинстве измерителей-регуляторов ОВЕН предусмотрена двухступенчатая фильтрация: «полосовая», устраняющая значительные единичные помехи, и «сглаживающая», снижающая действие небольших высокочастотных помех.

Первая ступень фильтрации описывается параметром «полоса фильтра», вторая - параметром «глубина фильтра» или «постоянная времени фильтра».

Полоса фильтра

Параметр «полоса фильтра» позволяет защитить измерительный тракт от сильных единичных помех. Полоса фильтра задается в единицах измеряемой величины. Если текущее показание отличается от предыдущего измеренного значения более чем на значение этого параметра, то оно игнорируется, и прибор производит повторное измерение. На цифровом индикаторе остается значение предыдущего измерения. Малая ширина полосы фильтра приводит к замедлению реакции прибора на быстрое изменение входной величины. Поэтому при низком уровне помех или при работе с быстроменяющимися процессами рекомендуется увеличить значение параметра или задать его равным 0. В случае работы в условиях сильных помех для устранения их влияния на работу прибора необходимо уменьшить значение параметра. При этом возможно ухудшение быстродействия прибора из-за повторных измерений.

Параметр «глубина фильтра» позволяет добиться «сглаживания» изменений показаний прибора за счет их усреднения. Значение этого параметра задает количество последних измерений, для которых прибор вычисляет среднее арифметическое. Полученная величина используется прибором в дальнейшей работе. Вид переходных характеристик фильтра для разных N показан на рисунке.

Уменьшение значения глубины фильтра приводит к более быстрой реакции прибора на скачкообразные изменения контролируемой вели чины, но снижает помехозащищенность прибора. Увеличение значения приводит к улучшению помехозащищенности, но вместе с этим повышает инерционность прибора.

Параметр «постоянная времени фильтра» _ф позволяет осуществлять экспоненциальное сглаживание. Постоянной времени фильтра называют интервал, в течение которого выходной сигнал достигает 0,63 от величины окончательного значения (100 °С). На рисунке показана реакция фильтра на единичный скачок температуры при различных _ф. Большое значение _ф приводит к замедлению реакции прибора на изменение входной величины, но помехи значительно подавлены (кривая I). Малые значения _ф позволяют довольно точно отслеживать изменения входной величины, но уровень помех практически не уменьшается (кривая II).



6.2 Вычисление дополнительных величин

В ряде измерителей-регуляторов ОВЕН предусмотрена возможность вычисления дополнительных величин (помимо измеряемых) и их поддержания.

Например, в 2ТРМ1 есть вычислитель разности входных сигналов T = T₁- T₂. Значение разности прибор может регулировать. Наиболее часто эта возможность применяется для регулирования влажности: прибор поддерживает значение T, установленное по психрометрической таблице в соответствии с необходимым значением влажности.

МПР51 имеет вычислитель влажности с заложенными значениями психрометрической таблицы, что позволяет поддерживать непосредственно влажность.

2ТРМ1 (модификации AT и АН) имеет вычислитель квадратного корня, который может преобразовывать квадратичную характеристику дифманометра в линейную.

Приборы ТРМ151 и ТРМ148 могут вычислять целый ряд функций от величин, измеренных на входах:

· относительную влажность психрометрическим методом;

· квадратный корень из измеренной величины;

· разность измеренных величин;

· среднее арифметическое измеренных величин;

· минимальное и максимальное значения измеренных величин;

· взвешенную сумму и частное измеренных величин.

В измерителях-регуляторах ОВЕН ТРМ1, 2ТРМ1, ТРМ201, ТРМ202 пользователь имеет возможность задавать входную величину и режим работы логических устройств:

· двухпозиционный регулятор (ON/OFF, компаратор);

· аналоговый П-регулятор;

· измеритель-регистратор.

При этом режим работы ЛУ и тип выходного устройства, определяемый при заказе, должны обязательно соответствовать друг другу.

Другие измерители-регуляторы ОВЕН обычно содержат основное логическое устройство - регулятор (или несколько регуляторов), который может работать в режиме ПИД или ON/OFF. Также каждый канал регулирования может включать в себя дополнительные устройства:

· двухпозиционный (ON/OFF) регулятор, который используется для сигна лизации или аварийного отключения оборудования;

· регистратор (то же, что измеритель-регистратор в ОВЕН ТРМ1).

6.3 Двухпозиционный регулятор (релейный, ON/OFF, компаратор)

В режиме двухпозиционного регулятора (компаратора) ЛУ сравнивает значение входной величины с уставками и выдает управляющий сигнал на выходное устройство в соответствии с заданной логикой.

Выходной сигнал двухпозиционного регулятора может иметь только два значения: максимальное и минимальное. Одно из них включает, а другое выключает выходное устройство. Поэтому для работы ЛУ в режиме двухпозиционного регулятора требуется выходное устройство ключевого типа (э/м реле, транзисторная оптопара, оптосимистор, выход для управления внешним твердотельным реле).

...