Connexion d'un capteur avec une sortie courant. Schémas pratiques d'activation des capteurs. Nouveaux capteurs, nouveaux contrôleurs

Connexion du capteur de courant au microcontrôleur

Après avoir pris connaissance des bases de la théorie, nous pouvons passer à la question de la lecture, de la transformation et de la visualisation des données. En d'autres termes, nous allons concevoir un simple compteur de courant continu.

La sortie analogique du capteur est connectée à l'un des canaux ADC du microcontrôleur. Toutes les transformations et tous les calculs nécessaires sont implémentés dans le programme du microcontrôleur. Un indicateur LCD à 2 lignes de caractères est utilisé pour afficher les données.

Schéma expérimental

Pour les expériences avec un capteur de courant, il est nécessaire d'assembler la structure selon le schéma représenté sur la figure 8. Pour cela, l'auteur a utilisé une planche à pain et un module basé sur un microcontrôleur (figure 9).

Le module de capteur de courant ACS712-05B peut être acheté prêt à l'emploi (il est vendu à très bas prix sur eBay), ou vous pouvez le fabriquer vous-même. La capacité du condensateur de filtrage est choisie égale à 1 nF, un condensateur de blocage de 0,1 µF est installé sur l'alimentation. Pour indiquer la mise sous tension, une LED avec une résistance d'extinction est soudée. L'alimentation et le signal de sortie du capteur sont connectés au connecteur d'un côté de la carte du module, le connecteur à 2 broches pour mesurer le courant circulant est situé du côté opposé.

Pour les expériences de mesure de courant, nous connectons une source de tension constante réglable aux bornes de mesure de courant du capteur via une résistance série 2,7 Ohm / 2 W. La sortie du capteur est connectée au port RA0/AN0 (broche 17) du microcontrôleur. Un indicateur LCD à deux lignes est connecté au port B du microcontrôleur et fonctionne en mode 4 bits.

Le microcontrôleur est alimenté en +5 V, la même tension sert de référence pour l'ADC. Les calculs et transformations nécessaires sont implémentés dans le programme du microcontrôleur.

Les expressions mathématiques utilisées dans le processus de conversion sont présentées ci-dessous.

Sensibilité du capteur de courant Sens = 0,185 V/A. Avec une alimentation Vcc = 5 V et une tension de référence Vref = 5 V, les rapports calculés seront les suivants :

Code de sortie ADC

Ainsi

En conséquence, la formule de calcul du courant est la suivante :

Note importante. Les relations ci-dessus sont basées sur l'hypothèse que la tension d'alimentation et la tension de référence pour l'ADC sont de 5 V. Cependant, la dernière expression reliant le courant I et le code de sortie ADC Count reste valable même avec des fluctuations de la tension d'alimentation. Ceci a été discuté dans la partie théorique de la description.

On peut voir à partir de la dernière expression que la résolution actuelle du capteur est de 26,4 mA, ce qui correspond à 513 échantillons ADC, ce qui dépasse le résultat attendu d'un échantillon. Ainsi, nous pouvons conclure que cette implémentation ne permet pas de mesurer de petits courants. Pour augmenter la résolution et augmenter la sensibilité lors de la mesure de courants faibles, vous devrez utiliser un amplificateur opérationnel. Un exemple d'un tel circuit est illustré à la figure 10.

programme de microcontrôleur

Le programme du microcontrôleur PIC16F1847 est écrit en C et compilé dans l'environnement mikroC Pro (mikroElektronika). Les résultats de mesure sont affichés sur un écran LCD à deux lignes avec une précision de deux décimales.

Sortie

Avec un courant d'entrée nul, la tension de sortie de l'ACS712 doit idéalement être strictement Vcc/2, c'est-à-dire il faut lire sur l'ADC le nombre 512. Une dérive de la tension de sortie du capteur de 4,9 mV provoque un décalage du résultat de conversion de 1 LSB de l'ADC (Figure 11). (Pour Vref = 5,0 V, la résolution d'un CAN 10 bits serait de 5/1024 = 4,9 mV), ce qui correspond à 26 mA de courant d'entrée. Notez qu'afin de réduire l'effet des fluctuations, il est souhaitable de faire plusieurs mesures puis de faire la moyenne de leurs résultats.

Si la tension de sortie de l'alimentation régulée est réglée sur 1 V, par
La résistance doit transporter un courant d'environ 370 mA. La valeur de courant mesurée dans l'expérience est de 390 mA, ce qui dépasse le résultat correct d'une unité du LSB de l'ADC (Figure 12).


Figure 12.

À une tension de 2 V, l'indicateur affichera 760 mA.

Ceci conclut notre discussion sur le capteur de courant ACS712. Cependant, nous n'avons pas abordé une autre question. Comment utiliser ce capteur pour mesurer courant alternatif? Gardez à l'esprit que le capteur fournit une réponse instantanée correspondant au courant circulant dans les cordons de test. Si le courant circule dans le sens positif (des broches 1 et 2 vers les broches 3 et 4), la sensibilité du capteur est positive et la tension de sortie est supérieure à Vcc/2. Si le courant s'inverse, la sensibilité sera négative et la tension de sortie du capteur chutera en dessous de Vcc/2. Cela signifie que lors de la mesure d'un signal alternatif, l'ADC du microcontrôleur doit échantillonner suffisamment rapidement pour pouvoir calculer le courant RMS.

Téléchargements

Le code source du programme du microcontrôleur et le fichier du firmware -

Les capteurs les plus utilisés dans le domaine de l'automatisation industrielle avec une sortie de courant unifiée de 4-20, 0-50 ou 0-20 mA peuvent avoir divers régimes connexions aux appareils secondaires. Les capteurs modernes à faible consommation d'énergie et une sortie de courant de 4-20 mA sont le plus souvent connectés dans un circuit à deux fils. C'est-à-dire qu'un seul câble à deux fils est connecté à un tel capteur, à travers lequel ce capteur est alimenté, et la transmission est effectuée à travers les mêmes deux fils.

En règle générale, les capteurs avec une sortie 4-20 mA et une connexion à deux fils ont une sortie passive et nécessitent une alimentation externe pour fonctionner. Cette alimentation peut être intégrée directement dans le dispositif secondaire (dans son entrée) et lorsque le capteur est connecté à un tel dispositif, un courant apparaît immédiatement dans le circuit de signal. Les appareils qui ont une alimentation pour le capteur intégrée à l'entrée sont dits des appareils avec une entrée active.

La plupart des appareils et contrôleurs secondaires modernes ont des alimentations intégrées pour fonctionner avec des capteurs à sorties passives.

Si l'appareil secondaire a une entrée passive - en fait, juste une résistance à partir de laquelle le circuit de mesure de l'appareil "lit" la chute de tension proportionnelle au courant circulant dans le circuit, alors une supplémentaire est nécessaire pour que le capteur fonctionne. L'alimentation externe dans ce cas est connectée en série avec le capteur et l'appareil secondaire pour couper la boucle de courant.

Les instruments secondaires sont généralement conçus et fabriqués de manière à pouvoir être connectés à la fois à des capteurs 4-20 mA à deux fils et à des capteurs 0-5, 0-20 ou 4-20 mA connectés dans un circuit à trois fils. Pour connecter un capteur à deux fils à l'entrée d'un appareil secondaire à trois bornes d'entrée (+U, entrée et commun), les bornes "+U" et "entrée" sont utilisées, la borne "commun" reste libre.

Étant donné que les capteurs, comme mentionné ci-dessus, peuvent avoir non seulement une sortie de 4-20 mA, mais, par exemple, 0-5 ou 0-20 mA, ou ils ne peuvent pas être connectés dans un circuit à deux fils en raison de leur propre grande consommation d'énergie (plus de 3 mA) , un schéma de connexion à trois fils est utilisé. Dans ce cas, les circuits d'alimentation des capteurs et les circuits de signal de sortie sont séparés. Les capteurs avec une connexion à trois fils ont généralement une sortie active. C'est-à-dire que si un capteur avec une sortie active est alimenté par une tension d'alimentation et qu'une résistance de charge est connectée entre ses bornes de sortie "sortie" et "commun", alors un courant proportionnel à la valeur du paramètre mesuré circulera dans la sortie circuit.

Les appareils secondaires ont généralement une alimentation intégrée assez faible pour alimenter les capteurs. Le courant de sortie maximal des alimentations intégrées est généralement de l'ordre de 22-50 mA, ce qui n'est pas toujours suffisant pour alimenter des capteurs à forte consommation : débitmètres électromagnétiques, analyseurs de gaz infrarouges et ainsi de suite. Dans ce cas, pour alimenter un capteur 3 fils, il faut utiliser un externe, plus bloc puissant alimentation pour fournir la puissance nécessaire. L'alimentation intégrée à l'appareil secondaire n'est pas utilisée.

Un circuit similaire d'enclenchement de capteurs à trois fils est également généralement utilisé lorsque la tension de la source d'alimentation intégrée à l'appareil ne correspond pas à la tension d'alimentation pouvant être fournie à ce capteur. Par exemple, l'alimentation intégrée a une tension de sortie de 24V et le capteur peut être alimenté de 10 à 16V.

Certains appareils secondaires peuvent avoir plusieurs canaux d'entrée et une alimentation suffisamment puissante pour alimenter des capteurs externes. Il convient de rappeler que la consommation électrique totale de tous les capteurs connectés à un tel dispositif multicanal doit être inférieure à la puissance de la source d'alimentation intégrée conçue pour les alimenter. De plus, en étudiant Caractéristiques appareil, il est nécessaire de distinguer clairement le but des alimentations (alimentations) qui y sont intégrées. Une source intégrée est utilisée pour alimenter l'appareil secondaire lui-même - pour le fonctionnement de l'affichage et des indicateurs, des relais de sortie, du circuit électronique de l'appareil, etc. Cette alimentation peut avoir beaucoup de puissance. La deuxième source intégrée est utilisée pour alimenter uniquement les circuits d'entrée - connectés aux entrées du capteur.

Avant de connecter le capteur à un appareil secondaire, lisez attentivement le mode d'emploi sur cet équipement, déterminez les types d'entrées et de sorties (actives/passives), vérifiez la correspondance entre la puissance consommée par le capteur et la puissance de la source d'alimentation (intégrée ou externe) et seulement ensuite effectuez la connexion. Les désignations réelles des bornes d'entrée et de sortie des capteurs et appareils peuvent différer de celles indiquées ci-dessus. Ainsi, les bornes "In (+)" et "In (-)" peuvent être désignées +J et -J, +4-20 et -4-20, +In et -In, etc. La borne "+U supply" peut être désignée par +V, Supply, +24V, etc., la borne "Output" - Out, Sign, Jout, 4-20 mA, etc., la borne "common" - GND , -24V, 0V, etc., mais cela ne change pas le sens.

Les capteurs avec une sortie de courant ayant un schéma de connexion à quatre fils ont un schéma de connexion similaire à celui des capteurs à deux fils, à la seule différence que les capteurs à quatre fils sont alimentés par une paire de fils séparée. De plus, les capteurs à quatre fils peuvent avoir les deux, ce qui doit être pris en compte lors du choix d'un schéma de connexion.

Dans le processus d'automatisation des processus technologiques pour le contrôle des mécanismes et des unités, il faut faire face à des mesures de diverses grandeurs physiques. Il peut s'agir de la température, de la pression et du débit de liquide ou de gaz, de la vitesse de rotation, de l'intensité lumineuse, des informations sur la position des pièces des mécanismes, et bien plus encore. Ces informations sont obtenues à l'aide de capteurs. Ici, d'abord, sur la position des pièces des mécanismes.

Capteurs discrets

Le capteur le plus simple est un contact mécanique classique : la porte s'ouvre - le contact s'ouvre, se ferme - il se ferme. Un tel capteur simple, ainsi que l'algorithme de travail ci-dessus, souvent. Pour un mécanisme à mouvement de translation, qui a deux positions, par exemple une vanne à eau, vous aurez déjà besoin de deux contacts: un contact est fermé - la vanne est fermée, l'autre est fermée - elle est fermée.

Un algorithme de mouvement de translation plus complexe a un mécanisme pour fermer le moule d'une machine de moulage par injection. Initialement, le moule est ouvert, c'est la position de départ. Dans cette position, le moule est retiré produits finis. Ensuite, le travailleur ferme la clôture de protection et le moule commence à se fermer, un nouveau cycle de travail commence.

La distance entre les moitiés du moule est assez grande. Par conséquent, au début, le moule se déplace rapidement et, à une certaine distance avant la fermeture des moitiés, l'interrupteur de fin de course se déclenche, la vitesse de déplacement diminue considérablement et le moule se ferme en douceur.

Un tel algorithme évite l'impact lorsque le moule est fermé, sinon il peut simplement être divisé en petits morceaux. Le même changement de vitesse se produit lorsque le moule est ouvert. Ici, deux capteurs de contact sont indispensables.

Ainsi, les capteurs à contact sont discrets ou binaires, ont deux positions, fermé - ouvert ou 1 et 0. En d'autres termes, vous pouvez dire qu'un événement s'est produit ou non. Dans l'exemple ci-dessus, plusieurs points sont « rattrapés » par les contacts : le début du mouvement, le point de décélération, la fin du mouvement.

En géométrie, un point n'a pas de dimensions, juste un point et c'est tout. Elle peut être soit (sur une feuille de papier, dans la trajectoire, comme dans notre cas) soit elle n'existe tout simplement pas. Par conséquent, des capteurs discrets sont utilisés pour détecter des points. Il se peut qu'une comparaison avec un point ne soit pas très appropriée ici, car en pratique on utilise la valeur de la précision d'un capteur discret, et cette précision est bien supérieure à un point géométrique.

Mais en soi, le contact mécanique est une chose peu fiable. Par conséquent, dans la mesure du possible, les contacts mécaniques sont remplacés par des capteurs sans contact. L'option la plus simple est les interrupteurs à lames : l'aimant se rapproche, le contact se ferme. La précision du fonctionnement de l'interrupteur à lames laisse beaucoup à désirer ; de tels capteurs ne sont utilisés que pour déterminer la position des portes.

Une option plus complexe et précise devrait être considérée comme divers capteurs sans contact. Si le drapeau métallique est entré dans la fente, le capteur a fonctionné. Des capteurs BVK (Proximity Limit Switch) de différentes séries peuvent être cités comme exemple de tels capteurs. La précision de réponse (différentiel de course) de ces capteurs est de 3 millimètres.

Figure 1. Capteur série BVK

La tension d'alimentation des capteurs BVK est de 24V, le courant de charge est de 200mA, ce qui est tout à fait suffisant pour connecter des relais intermédiaires pour une coordination plus poussée avec le circuit de commande. C'est ainsi que les capteurs BVK sont utilisés dans divers équipements.

En plus des capteurs BVK, des capteurs de types BTP, KVP, PIP, KVD, PISCH sont également utilisés. Chaque série comporte plusieurs types de capteurs, indiqués par des numéros, par exemple, BTP-101, BTP-102, BTP-103, BTP-211.

Tous les capteurs mentionnés sont discrets sans contact, leur objectif principal est de déterminer la position de pièces de mécanismes et d'assemblages. Naturellement, il existe de nombreux autres capteurs de ce type ; il est impossible de les décrire tous dans un seul article. Divers capteurs de contact sont encore plus courants et encore largement utilisés.

Application de capteurs analogiques

Outre les capteurs discrets, les capteurs analogiques sont largement utilisés dans les systèmes d'automatisation. Leur but est d'obtenir des informations sur diverses grandeurs physiques, et pas seulement comme ça en général, mais en temps réel. Plus précisément la transformation quantité physique(pression, température, éclairage, consommation, tension, courant) en un signal électrique adapté à la transmission via des lignes de communication au contrôleur et à son traitement ultérieur.

Capteurs analogiques situés, en règle générale, suffisamment loin du contrôleur, c'est pourquoi ils sont souvent appelés appareils de terrain. Ce terme est souvent utilisé dans la littérature technique.

Un capteur analogique se compose généralement de plusieurs parties. La partie la plus importante est l'élément sensible - capteur. Son but est de convertir la valeur mesurée en un signal électrique. Mais le signal reçu du capteur est généralement faible. Pour obtenir un signal adapté à l'amplification, le capteur est le plus souvent inclus dans un montage en pont - Pont de Wheatstone.

Figure 2. Pont de Wheatstone

Le but initial du circuit en pont est de mesurer avec précision la résistance. Une source CC est connectée à la diagonale du pont AD. Un galvanomètre sensible avec un point médian, avec zéro au milieu de l'échelle, est connecté à l'autre diagonale. Pour mesurer la résistance de la résistance Rx en tournant résistance ajustable R2 doit atteindre l'équilibre du pont, régler l'aiguille du galvanomètre sur zéro.

La déviation de la flèche de l'appareil dans un sens ou dans l'autre permet de déterminer le sens de rotation de la résistance R2. La valeur de la résistance mesurée est déterminée par l'échelle, combinée avec la poignée de la résistance R2. La condition d'équilibre du pont est l'égalité des rapports R1/R2 et Rx/R3. Dans ce cas, une différence de potentiel nulle est obtenue entre les points BC et aucun courant ne traverse le galvanomètre V.

La résistance des résistances R1 et R3 est sélectionnée très précisément, leur propagation doit être minimale. Seulement dans ce cas, même un petit déséquilibre du pont provoque un changement assez notable de la tension de la diagonale BC. C'est cette propriété du pont qui est utilisée pour connecter des éléments sensibles (capteurs) de divers capteurs analogiques. Eh bien, tout est simple, une question de technologie.

Pour utiliser le signal reçu du capteur, son traitement ultérieur est nécessaire, - amplification et conversion en un signal de sortie apte à être transmis et traité par le circuit de commande - manette. Le plus souvent, le signal de sortie des capteurs analogiques est en courant (boucle de courant analogique), moins souvent en tension.

Pourquoi courant ? Le fait est que les étages de sortie des capteurs analogiques sont basés sur des sources de courant. Cela vous permet de vous débarrasser de l'influence de la résistance des lignes de connexion sur le signal de sortie, d'utiliser des lignes de connexion de grande longueur.

La transformation ultérieure est assez simple. Le signal de courant est converti en tension, pour laquelle il suffit de faire passer le courant à travers une résistance de résistance connue. La chute de tension aux bornes de la résistance de mesure est obtenue selon la loi d'Ohm U=I*R.

Par exemple, pour un courant de 10 mA aux bornes d'une résistance de 100 Ohm, la tension sera de 10 * 100 = 1000 mV, soit au total 1 volt ! Dans ce cas, le courant de sortie du capteur ne dépend pas de la résistance des fils de connexion. Dans des limites raisonnables, bien sûr.

Connexion de capteurs analogiques

La tension obtenue sur la résistance de mesure est facilement convertie en une forme numérique adaptée à l'entrée dans le contrôleur. La conversion se fait avec convertisseurs analogique-numérique ADC.

Les données numériques sont transmises au contrôleur en code série ou parallèle. Tout dépend du schéma de commutation spécifique. Un schéma simplifié de connexion du capteur analogique est illustré à la Figure 3.

Figure 3. Connexion d'un capteur analogique (cliquez sur l'image pour l'agrandir)

Les actionneurs sont connectés au contrôleur, ou le contrôleur lui-même est connecté à un ordinateur inclus dans le système d'automatisation.

Naturellement, les capteurs analogiques ont une conception complète, dont l'un des éléments est un boîtier avec des éléments de connexion. A titre d'exemple, la figure 4 montre apparence capteur surpression tapez Zond-10.

Figure 4. Capteur de surpression Zond-10

Au bas du capteur, vous pouvez voir le fil de connexion pour la connexion au pipeline, et à droite, sous le couvercle noir, il y a un connecteur pour connecter la ligne de communication au contrôleur.

La connexion filetée est scellée avec une rondelle en cuivre recuit (fournie avec le capteur), et en aucun cas avec du fum-tape ou du lin. Ceci est fait pour que lors de l'installation du capteur, l'élément de capteur situé à l'intérieur ne soit pas déformé.

Sorties de capteur analogiques

Selon les normes, il existe trois gammes de signaux de courant : 0…5mA, 0…20mA et 4…20mA. Quelle est leur différence et quelles fonctionnalités ?

Le plus souvent, la dépendance du courant de sortie est directement proportionnelle à la valeur mesurée, par exemple, plus la pression dans le tuyau est élevée, plus le courant à la sortie du capteur est important. Bien que parfois une connexion inverse soit utilisée : une valeur plus grande du courant de sortie correspond à la valeur minimale de la valeur mesurée à la sortie du capteur. Tout dépend du type de contrôleur utilisé. Certains capteurs ont même une commutation du signal direct au signal inverse.

Le signal de sortie dans la plage 0...5mA est très faible et donc sensible aux interférences. Si le signal d'un tel capteur fluctue avec une valeur constante du paramètre mesuré, il est recommandé d'installer un condensateur d'une capacité de 0,1 ... 1 μF en parallèle avec la sortie du capteur. Plus stable est le signal de courant dans la plage de 0…20mA.

Mais ces deux plages ne sont pas bonnes car zéro au début de l'échelle ne vous permet pas de déterminer sans ambiguïté ce qui s'est passé. Soit le signal mesuré effectivement reçu niveau zéro, ce qui est en principe possible, ou la ligne de communication est-elle simplement interrompue ? Par conséquent, ils essaient de refuser l'utilisation de ces gammes, si possible.

Le signal des capteurs analogiques avec un courant de sortie dans la plage de 4 ... 20 mA est considéré comme plus fiable. Son immunité au bruit est assez élevée, et la limite inférieure, même si le signal mesuré a un niveau nul, sera de 4mA, ce qui nous permet de dire que la ligne de communication n'est pas coupée.

Une autre bonne caractéristique de la gamme 4 ... 20mA est que les capteurs peuvent être connectés avec seulement deux fils, car le capteur lui-même est alimenté par ce courant. C'est son courant de consommation et en même temps un signal de mesure.

L'alimentation des capteurs de la plage 4 ... 20 mA est activée, comme illustré à la figure 5. Dans le même temps, les capteurs Zond-10, comme beaucoup d'autres, selon le passeport, ont une large plage de tension d'alimentation de 10 ... 38V, bien qu'ils soient le plus souvent utilisés avec une tension de 24V.

Figure 5. Connexion d'un capteur analogique avec une alimentation externe

Ce schéma contient les éléments et symboles suivants. Rsh - résistance shunt de mesure, Rl1 et Rl2 - résistances des lignes de communication. Pour améliorer la précision de la mesure, une résistance de mesure de précision doit être utilisée comme Rsh. Le passage du courant de l'alimentation est indiqué par des flèches.

Il est facile de voir que le courant de sortie de l'alimentation passe de la borne +24V, à travers la ligne Rl1 atteint la borne du capteur +AO2, passe à travers le capteur et à travers le contact de sortie du capteur - AO2, la ligne de connexion Rl2, le la résistance Rsh revient sur la borne d'alimentation -24V. Tout, le circuit est fermé, le courant passe.

Si le contrôleur contient une alimentation 24 V, la connexion d'un capteur ou d'un transducteur de mesure est possible selon le schéma illustré à la Figure 6.

Figure 6. Connexion d'un capteur analogique à un contrôleur avec une alimentation interne

Ce diagramme montre un autre élément - une résistance de ballast Rb. Son but est de protéger la résistance de mesure en cas de court-circuit dans la ligne de communication ou de dysfonctionnement du capteur analogique. L'installation d'une résistance Rb est facultative, bien que souhaitable.

En plus de divers capteurs, la sortie courant dispose également de transducteurs de mesure, qui sont assez souvent utilisés dans les systèmes d'automatisation.

Transducteur de mesure- un appareil pour convertir des niveaux de tension, par exemple 220V ou un courant de plusieurs dizaines ou centaines d'ampères en un signal de courant de 4 ... 20mA. Ici, le niveau du signal électrique est simplement converti, et non la représentation d'une grandeur physique (vitesse, débit, pression) sous forme électrique.

Mais la question, en règle générale, ne suffit pas avec un seul capteur. Certaines des mesures les plus populaires sont les mesures de température et de pression. Le nombre de ces points sur productions modernes peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. En conséquence, le nombre de capteurs est également important. Par conséquent, plusieurs capteurs analogiques sont le plus souvent connectés à un contrôleur à la fois. Bien sûr, pas plusieurs milliers à la fois, c'est bien si une douzaine est différente. Une telle connexion est illustrée à la figure 7.

Figure 7. Connexion de plusieurs capteurs analogiques au contrôleur

Cette figure montre comment une tension est obtenue à partir d'un signal de courant, adapté à la conversion en code numérique. S'il existe plusieurs signaux de ce type, ils ne sont pas traités en même temps, mais sont séparés dans le temps, multiplexés, sinon un ADC séparé devrait être installé sur chaque canal.

A cet effet, le contrôleur dispose d'un circuit de commutation de circuit. Le schéma fonctionnel de l'interrupteur est illustré à la figure 8.

Figure 8. Commutateur de canal de capteur analogique (image cliquable)

Les signaux de la boucle de courant convertis en tension aux bornes de la résistance de mesure (UR1…URn) sont envoyés à l'entrée du commutateur analogique. Les signaux de commande font alternativement passer en sortie l'un des signaux UR1...URn, qui sont amplifiés par l'amplificateur, et sont alternativement amenés à l'entrée du CAN. La tension convertie en un code numérique est fournie au contrôleur.

Le schéma, bien sûr, est très simplifié, mais il est tout à fait possible d'y envisager le principe du multiplexage. C'est approximativement ainsi que le module d'entrée des signaux analogiques des contrôleurs MCTS (système à microprocesseur moyens techniques) produit par le PC de Smolensk "Prologue". L'apparence du contrôleur MCTS est illustrée à la Figure 9.

Figure 9. Contrôleur MSTS

La sortie de tels contrôleurs a longtemps été interrompue, bien que dans certains endroits, loin d'être les meilleurs, ces contrôleurs soient toujours utilisés. Ces expositions de musée sont remplacées par des contrôleurs de nouveaux modèles, principalement de production importée (chinoise).

Si le contrôleur est monté dans une armoire métallique, il est recommandé de connecter les tresse de blindage au point de masse de l'armoire. La longueur des lignes de raccordement peut atteindre plus de deux kilomètres, ce qui est calculé à l'aide des formules appropriées. Nous ne compterons rien ici, mais croyons qu'il en est ainsi.

Nouveaux capteurs, nouveaux contrôleurs

Avec l'avènement de nouveaux contrôleurs, nouveaux transmetteurs analogiques avec protocole HART(Transducteur à distance adressable par autoroute)

Le signal de sortie du capteur (appareil de terrain) est un signal de courant analogique dans la plage de 4 ... 20 mA, auquel un signal de communication numérique modulé en fréquence (FSK - Frequency Shift Keying) est superposé.

Figure 10. Sortie du transmetteur analogique HART

La figure montre un signal analogique avec une sinusoïde qui s'enroule autour de lui comme un serpent. C'est le signal modulé en fréquence. Mais ce n'est pas encore signal numérique, n'a pas encore été identifié. On remarque sur la figure que la fréquence de la sinusoïde lors de la transmission d'un zéro logique est plus élevée (2,2 kHz) que lors de la transmission d'une unité (1,2 kHz). La transmission de ces signaux est réalisée par un courant d'amplitude ± 0,5 mA de forme sinusoïdale.

On sait que la valeur moyenne du signal sinusoïdal est égale à zéro, par conséquent, la transmission d'informations numériques n'affecte pas le courant de sortie du capteur 4 ... 20mA. Ce mode est utilisé lors de la configuration des capteurs.

La communication HART s'effectue de deux manières. Dans le premier cas, le standard, seuls deux appareils peuvent échanger des informations sur une ligne à deux fils, tandis que le signal analogique de sortie 4 ... 20mA dépend de la valeur mesurée. Ce mode est utilisé lors de la configuration des appareils de terrain (capteurs).

Dans le second cas, jusqu'à 15 capteurs peuvent être connectés à une ligne à deux fils, dont le nombre est déterminé par les paramètres de la ligne de communication et la puissance de l'alimentation. C'est le mode multipoint. Dans ce mode, chaque capteur a sa propre adresse dans la plage 1…15, par laquelle le dispositif de contrôle y accède.

Le capteur avec l'adresse 0 est déconnecté de la ligne de communication. L'échange de données entre le capteur et le dispositif de contrôle en mode multipoint s'effectue uniquement par un signal de fréquence. Le signal de courant du capteur est fixé au niveau requis et ne change pas.

Les données dans le cas d'une communication multipoint signifient non seulement les résultats des mesures du paramètre contrôlé, mais également un ensemble complet d'informations de service de toutes sortes.

Ce sont tout d'abord les adresses des capteurs, les commandes de contrôle, les réglages. Et toutes ces informations sont transmises sur des lignes de communication à deux fils. Est-il possible de s'en débarrasser également ? Certes, cela doit être fait avec précaution, uniquement dans les cas où la connexion sans fil ne peut pas affecter la sécurité du processus contrôlé.

Il s'avère que vous pouvez vous débarrasser des fils. Déjà en 2007, la norme WirelessHART a été publiée, le support de transmission est la fréquence sans licence de 2,4 GHz, sur laquelle fonctionnent de nombreux appareils informatiques sans fil, y compris sans fil réseaux locaux. Par conséquent, les appareils WirelessHART peuvent également être utilisés sans aucune restriction. La figure 11 illustre un réseau WirelessHART.

Figure 11. Réseau sans fil HART

Ce sont les technologies qui ont remplacé l'ancienne boucle de courant analogique. Mais il n'abandonne pas non plus ses positions, il est largement utilisé partout où cela est possible.

Capteurs discrets

Application de capteurs analogiques

Figure 2. Pont de Wheatstone

Connexion de capteurs analogiques

Sorties de capteur analogiques

Mais la question, en règle générale, ne suffit pas avec un seul capteur. Certaines des mesures les plus populaires sont les mesures de température et de pression. Le nombre de ces points dans la production moderne peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. En conséquence, le nombre de capteurs est également important. Par conséquent, plusieurs capteurs analogiques sont le plus souvent connectés à un contrôleur à la fois. Bien sûr, pas plusieurs milliers à la fois, c'est bien si une douzaine est différente. Une telle connexion est illustrée à la figure 7.

Figure 7. Connexion de plusieurs capteurs analogiques au contrôleur

Cette figure montre comment une tension est obtenue à partir d'un signal de courant, apte à être converti en un code numérique. S'il existe plusieurs signaux de ce type, ils ne sont pas traités en même temps, mais sont séparés dans le temps, multiplexés, sinon un ADC séparé devrait être installé sur chaque canal.

A cet effet, le contrôleur dispose d'un circuit de commutation de circuit. Le schéma fonctionnel de l'interrupteur est illustré à la figure 8.

Figure 8. Commutateur de canal de capteur analogique (image cliquable)

Le schéma, bien sûr, est très simplifié, mais il est tout à fait possible d'y envisager le principe du multiplexage. C'est approximativement ainsi que le module d'entrée des signaux analogiques des contrôleurs MCTS (système à microprocesseur des moyens techniques) produit par le PC "Prolog" de Smolensk est construit.

Nouveaux capteurs, nouveaux contrôleurs

Avec l'avènement de nouveaux contrôleurs, de nouveaux capteurs analogiques sont également apparus qui fonctionnent à l'aide du protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer), qui se traduit par "Transducteur de mesure adressé à distance via le tronc".

Ce sont les technologies qui ont remplacé l'ancienne boucle de courant analogique. Mais il n'abandonne pas non plus ses positions, il est largement utilisé partout où cela est possible.

Capteurs discrets

Le capteur le plus simple est un contact mécanique classique : la porte s'ouvre - le contact s'ouvre, se ferme - il se ferme. Un capteur aussi simple, ainsi que l'algorithme de fonctionnement ci-dessus, sont souvent utilisés dans alarmes antivol. Pour un mécanisme à mouvement de translation, qui a deux positions, par exemple une vanne à eau, vous aurez déjà besoin de deux contacts: un contact est fermé - la vanne est fermée, l'autre est fermée - elle est fermée.

Un algorithme de mouvement de translation plus complexe a un mécanisme pour fermer le moule d'une machine de moulage par injection. Initialement, le moule est ouvert, c'est la position de départ. Dans cette position, les produits finis sont retirés du moule. Ensuite, le travailleur ferme la clôture de protection et le moule commence à se fermer, un nouveau cycle de travail commence.

Capteur série BVK

Figure 1. Capteur série BVK

Application de capteurs analogiques

Outre les capteurs discrets, les capteurs analogiques sont largement utilisés dans les systèmes d'automatisation. Leur but est d'obtenir des informations sur diverses grandeurs physiques, et pas seulement comme ça en général, mais en temps réel. Plus précisément, la conversion d'une grandeur physique (pression, température, éclairement, débit, tension, courant) en un signal électrique apte à être transmis via des lignes de communication au contrôleur et son traitement ultérieur.

Les capteurs analogiques sont généralement situés assez loin du contrôleur, c'est pourquoi ils sont souvent appelés appareils de terrain. Ce terme est souvent utilisé dans la littérature technique.

Un capteur analogique se compose généralement de plusieurs parties. La partie la plus importante est l'élément sensible - le capteur. Son but est de convertir la valeur mesurée en un signal électrique. Mais le signal reçu du capteur est généralement faible. Pour obtenir un signal adapté à l'amplification, le capteur est le plus souvent inclus dans un circuit en pont - un pont de Wheatstone.

Pont de Wheatstone

Figure 2. Pont de Wheatstone

Le but initial du circuit en pont est de mesurer avec précision la résistance. Une source CC est connectée à la diagonale du pont AD. Un galvanomètre sensible avec un point médian, avec zéro au milieu de l'échelle, est connecté à l'autre diagonale. Pour mesurer la résistance de la résistance Rx en faisant tourner la résistance d'accord R2, le pont doit être équilibré, l'aiguille du galvanomètre doit être réglée sur zéro.

Pour utiliser le signal reçu du capteur, son traitement ultérieur est nécessaire - amplification et conversion en un signal de sortie adapté à la transmission et au traitement par le circuit de commande - le contrôleur. Le plus souvent, le signal de sortie des capteurs analogiques est en courant (boucle de courant analogique), moins souvent en tension.

Connexion de capteurs analogiques

La tension obtenue sur la résistance de mesure est facilement convertie en une forme numérique adaptée à l'entrée dans le contrôleur. La conversion est effectuée à l'aide de convertisseurs analogique-numérique ADC.

Connexion d'un capteur analogique

Figure 3. Connexion d'un capteur analogique (cliquez sur l'image pour l'agrandir)

Les actionneurs sont connectés au contrôleur, ou le contrôleur lui-même est connecté à un ordinateur inclus dans le système d'automatisation.

Capteur de surpression Zond-10

Figure 4. Capteur de surpression Zond-10

Sorties de capteur analogiques

Selon les normes, il existe trois gammes de signaux de courant : 0…5mA, 0…20mA et 4…20mA. Quelle est leur différence et quelles fonctionnalités ?

Mais ces deux plages ne sont pas bonnes car zéro au début de l'échelle ne vous permet pas de déterminer sans ambiguïté ce qui s'est passé. Ou le signal mesuré a-t-il réellement pris un niveau zéro, ce qui est en principe possible, ou la ligne de communication s'est-elle simplement cassée ? Par conséquent, ils essaient de refuser l'utilisation de ces gammes, si possible.

L'alimentation des capteurs dans la plage 4 ... 20 mA est activée, comme illustré à la figure 5. Dans le même temps, les capteurs Zond-10, comme beaucoup d'autres, selon le passeport, ont une large plage de tension d'alimentation de 10 ... 38V, bien que des sources stabilisées avec une tension de 24V soient le plus souvent utilisées.

Connexion d'un capteur analogique avec une alimentation externe

Figure 5. Connexion d'un capteur analogique avec une alimentation externe

Si le contrôleur contient une alimentation 24 V, la connexion d'un capteur ou d'un transducteur de mesure est possible selon le schéma illustré à la Figure 6.

Connexion d'un capteur analogique à un contrôleur avec une alimentation interne

Figure 6. Connexion d'un capteur analogique à un contrôleur avec une alimentation interne

En plus de divers capteurs, la sortie courant dispose également de transducteurs de mesure, qui sont assez souvent utilisés dans les systèmes d'automatisation.

Un transducteur de mesure est un appareil permettant de convertir des niveaux de tension, par exemple 220V ou un courant de plusieurs dizaines ou centaines d'ampères, en un signal de courant de 4 ... 20mA. Ici, le niveau du signal électrique est simplement converti, et non la représentation d'une grandeur physique (vitesse, débit, pression) sous forme électrique.

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