Выходные сигналы датчиков

Таблицы DPVA.ru — Инженерный Справочник

Создавая систему автоматизации для того или иного технологического процесса, мы так или иначе вынуждены как-то сопрягать датчики и другие сигнальные устройства — с исполнительными устройствами, с преобразователями, с контроллерами и т. д. Последние, как правило, принимают сигнал от датчика в форме напряжения или тока определенной величины (если речь об аналоговых сигналах), или в форме импульсов с определенными временными параметрами (в случае с цифровыми сигналами).

Параметры этих электрических сигналов должны неким вполне определенным образом соответствовать параметрам физической величины, которую фиксирует датчик, чтобы управление конечным устройством получилось бы адекватным задаче автоматизации.

Безусловно, удобнее всего унифицировать аналоговые сигналы от различных датчиков, дабы контроллеры обрели универсальность, чтобы пользователю не приходилось бы для каждого датчика подбирать свой индивидуальный вид интерфейса, а для каждого интерфейса — свой датчик.

Пусть характер сигналов ввода-вывода станет унифицированным — решили разработчики, ведь при таком подходе процессы разработки систем автоматизации и блоков автоматики для промышленности сильно упростятся, а устранение неисправностей, обслуживание и модернизация оборудования станут значительно гибче. Даже если один датчик выйдет из строя, то вовсе не придется искать точно такой же, достаточно будет подобрать аналог с соответствующими выходными сигналами.

Измерения температуры среды, оборотов двигателя, давления в жидкости, механического напряжения образца, влажности воздуха и т. д. — зачастую осуществляется путем обработки непрерывных аналоговых сигналов, получаемых с соответствующих датчиков, при этом автоматически корректируется непрерывная работа сопряженного устройства: нагревательного элемента, частотного преобразователя, насоса, пресса и т. д.

В качестве аналогового сигнала наиболее часто служит либо сигнал напряжения, изменяющийся в диапазоне от 0 до 10 В, либо токовый сигнал, изменяющийся в диапазоне от 4 до 20 мА.

Управление напряжением от 0 до 10 В

Когда используется унифицированный сигнал напряжения от 0 до 10 В, то этой непрерывной последовательности напряжений от 0 до 10 В ставится в соответствие последовательность измеряемых физических величин, например давлений или температур.

Скажем, температура изменяется от -30 до +125°С, при этом напряжение изменяется от 0 до 10 В, причем 0 вольтам соответствует температура в -30°С, а 10 вольтам +125°С. Это может быть температура реагента или обрабатываемой детали, причем промежуточные значения температуры будут иметь строго определенные значения напряжения из обозначенного диапазона. Зависимость здесь не обязательно линейна.

Таким образом можно осуществлять управление различными устройствами, а также получать информацию для мониторинга. Например, радиатор с термодатчиком имеет аналоговый выход для отображения текущей температуры: 0 В — температура поверхности радиатора +25°С или ниже, 10 В — температура достигла +125°С — максимально допустимой.

Или подавая от контроллера напряжение от 0 до 10 В на аналоговый вход насоса, задаем давление газа в контейнере: 0 В — давление равно атмосферному, 5 В — давление равно 2 атм, 10 В — 4 атм. Подобным образом можно управлять нагревательными приборами, двигателями станков, клапанами и прочей арматурой и приводами различного назначения.

Управление током (токовая петля от 4 до 20 мА)

Второй вид унифицированного аналогового сигнала для управления автоматикой — токовый сигнал 4-20 мА, называемый «токовой петлей». Данный сигнал используется так же для получения сигналов от различных датчиков с целью управления исполнительными устройствами.

В отличие от сигнала напряжения, токовый характер сигнала позволяет передавать его без искажений на значительно большие расстояния, поскольку падения напряжений на линиях и на сопротивлениях автоматически компенсируются. Кроме того очень проста диагностика целостности передающих цепей — если ток есть, значит линия цела, если тока нет — имеет место обрыв. Именно по этой причине наименьшее значение 4 мА, а не 0 мА.

Итак, здесь в качестве источника энергии управляющего сигнала используется источник тока, а не источник напряжения. Соответственно, контроллер исполнительного устройства должен иметь токовый вход 4-20 мА, а преобразователь датчика — токовый выход. Допустим, имеется у частотного преобразователя управляющий токовый вход 4-20 мА, тогда при подаче на вход сигнала 4 мА или менее — управляемый привод остановится, а при подаче тока в 20 мА — разгонится на полные обороты.

Между тем, токовые выходы датчиков могут быть как активными, так и пассивными. Чаще выходы пассивные, это значит, что необходим дополнительный источник питания, который включается последовательно в цепь с датчиком и контроллером исполнительного устройства. Для датчика или контроллера с активным выходом — источник питания не потребуется, так как есть встроенный.

Аналоговая токовая петля используется сегодня в инженерной практике чаще, чем сигналы напряжения. Она может использоваться на расстояниях до нескольких километров. Для защиты оборудования применяется гальваническая развязка на оптоэлектронных приборах, например оптронах. Из-за неидеальности источника тока, максимально допустимая длина линии (и максимальное сопротивление линии) зависит от напряжения, от которого питается источник тока.

Например при типичном напряжении питания 12 вольт сопротивление не должно превышать 600 Ом. Диапазоны токов и напряжений описаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».

Средство унификации первичного сигнала — нормирующий преобразователь

Для унификации первичного сигнала с датчика — для преобразования его в напряжение от 0 до 10 В или в ток от 4 до 20 мА, — применяют так называемые нормирующие преобразователи. Такие нормирующие преобразователи выпускаются для датчиков температуры, влажности, давления, веса и т. д.

Принцип работы датчика может быть разным: емкостный, индуктивный, сопротивления, термопара и т.д. Однако выход для удобства дальнейшей обработки сигнала должен соответствовать требованиям унификации. Вот почему датчики зачастую оснащаются нормирующими преобразователями измеряемой величины в ток или в напряжение.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.

Аналоговым (т. е. непрерывно меняющимся во времени) называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.

Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.

Непрерывные сигналы генерируются непрерывными процессами и системами. Это, например, ЭЭГ – возникает из-за электрической активности головного мозга, ЭКГ – вырабатывается электрической активностью сердца, выход датчика, например такого как датчик частоты вращения — тахогенератор и т.п.

Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени.

На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.

Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.

Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.

Любой аналоговый сигнал может быть представлен в виде соответствующего ему цифрового эквивалента, при этом точность представления зависит от количества разрядов эквивалентного числа.

Для обработки аналоговых сигналов применяются логические элементы. Для взаимодействия электронных устройств, обрабатывающих аналоговые сигналы с устройствами, оперирующими двоичными (цифровыми) сигналами, применяют цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.

Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.

Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.

Дискретный сигнал состоит из последовательности выборок, которая в общем случае может принимать любое значение. Этот сигнал обычно создается путем дискретизации аналогового сигнала.

Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.

Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).

Пример простого дискретного сигнала на два значения: срабатывание путевого выключателя (переключение контактов выключателя в определенном положении механизма). Сигнал с путевого выключателя может быть получен только в двух вариантах — контакт разомкнут (нет действия, нет напряжения) и контакт замкнут (есть действие, есть напряжение).

В отечественной литературе переключательные устройства называются также «дискретными», «логическими», «устройствами релейного действия» или «релейными устройствами».

Преимущества дискретных устройств обусловлены во многом тем, что их элементы достаточно просты и надежны. В большинстве случаев они имеют всего два различных состояния: включено — выключено (реле), открыт — заперт (транзистор) и т. д.

Такие элементы могут формировать или перерабатывать сигналы, обладающие только двумя значениями: одно значение сигнала связано с одним состоянием элемента, второе — со вторым. Поэтому часто под названием «дискретный сигнал» подразумевают сигнал с двумя значениями. Физически это означает, что сигнал имеет импульсный характер: высший уровень — одно значение, низший — другое. Обычно эти уровни обозначаются 1 и 0.

Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым.

То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.

Последовательности импульсов представляют последовательности цифр и могут рассматриваться как двоичные числа. Поэтому их называют цифровыми, а связанные с ними методы обработки таких сигналов и соответствующие устройства и системы также называются цифровыми.

Цифровой сигнал — это сигнал, который дискретизируется и впоследствии квантуется. Он состоит из последовательности выборок, которые могут принимать только ограниченное число значений, поэтому его можно представить последовательностью целых чисел.

Информация всегда теряется при преобразовании аналогового сигнала в цифровой (как при дискретизации, так и при квантовании). Однако, увеличивая частоту дискретизации и количество уровней квантования, можно приблизиться к исходному сигналу со сколь угодно малым отклонением.

Например, каждый из двух стереоканалов записи аудио компакт-диска может быть представлен как последовательность из 44 100 шестнадцатибитных чисел в секунду, а цифровой телефонный сигнал в ISDN в виде последовательности 8000 восьмибитных чисел в секунду.

Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.

В отечественной литературе по отношению к описанным сигналам, устройствам и системам используется чаще термин «дискретные». Термин «цифровые» используется реже. Это оправдано тем, что по смыслу последний термин лучше относить к конкретным приборам с цифровым отсчетом (цифровым вольтметрам, амперметрам и т. п.).

Аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровой формат, прежде чем они могут быть интерпрети микропроцессором.

На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.

Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.

Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.

В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие, как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.

Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:

Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию.

Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.

Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например, аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.

Более в глобальном смысле, датчик — это физический или биологический инструмент, чаще всего являющийся составной частью более крупной системы, задачей которой является улавливание сигналов из окружающей среды и их распознавание.

Датчик на современном автоматизированном промышленном предприятии

В автоматических системах каждый регулятор имеет измерительное устройство, контролирующее величину параметра.

Любое измерение осуществляется чувствительными органами, реагирующими на изменение измеряемой величины.

Например, измерение температуры может быть произведено термометром сопротивления, состоящим из металлической проволоки. Сопротивление этой проволоки зависит от температуры. Каждой температуре соответствует определенное сопротивление. Поэтому, измеряя сопротивление, можно определить температуру.

Измерение давления можно производить манометрической пружиной. Каждому давлению внутри пружины соответствует определенная ее деформация. Измеряя деформацию пружины, можно судить о давлении.

Проволока термометра сопротивления и пружина манометра являются чувствительными органами. Чувствительный орган воспринимает изменение контролируемой величины и преобразует это изменение в изменение другой величины. Поэтому чувствительный орган называют также преобразователем или воспринимающим органом.

В автоматических системах к измерителю предъявляются специфические требования. В этом случае недостаточно, чтобы значение измеренного параметра было указано стрелкой или цифрой, а нужно, чтобы это значение было передано на следующий за измерителем узел системы. Поэтому все измерения в автоматических системах производятся датчиками.

Датчиком называется преобразователь контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего использования.

По структуре датчики состоят из одного или нескольких элементарных преобразователей, соединенных в единую систему. Важнейшим из них является первый преобразователь, воспринимающий контролируемую величину.

В датчиках различают входную величину, действующую на датчик, и выходную величину, которая является информацией для всех следующих за датчиком элементов системы.

Для термометра сопротивления входной величиной будет температура, а выходной — сопротивление. Для манометрической пружины входной величиной будет давление, а выходной — деформация.

Все датчики делятся на аналоговые, дискретные и цифровые. Это зависит от типа выходной величины (выходного сигнала) датчика.

Дискретные датчики выдают дискретный (прерывистый) выходной сигал, а аналоговые — непрерывный сигнал. Выходные сигналы обоих типов датчиков должны быть преобразованы в цифровой формат (так как компьютерная техника обрабатывает только цифровые данные).

Подробно о различных видах сигналов смотрите здесь: Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Аналоговые датчики генерируют выходной сигнал в виде непрерывно изменяющегося напряжения или тока.

Например, аналоговый звуковой датчик может иметь выходной аналоговый сигнал в виде изменяющегося напряжения в диапазоне от 0 до 5 вольт (вольт).

Когда датчик не обнаруживает звука, его выходной сигнал равен 0 В, а когда он обнаруживает самый громкий звук, выходное напряжение составляет 5 В. Такой звуковой датчик может обнаруживать звуковые волны любой интенсивности в пределах своего рабочего диапазона.

Аналоговые датчики более точны, поскольку непреобразованный сигнал имеет более высокое разрешение. К сожалению, аналоговый сигнал более подвержен помехам. Преобразование аналогового сигнала в цифровой влечет за собой потерю данных.

Наиболее простые — дискретные датчики. Они использовались с момента изобретения автоматических систем релейной логики, задолго до распространения программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Каждый дискретный датчик передает сигнал ноль-единица (отключено — включено), что позволяет блоку ПЛК игнорировать уровни аналогового срабатывания, мертвые зоны сигнала, время обнаружения и другие параметры, препятствующие измерению.

Этот сигнал может означать «я вижу объект», «давление в машине превышает 5 бар», «привод достиг своего положения», «нагреватель достиг заданной температуры» или иметь множество дискретных значений.

Цифровые датчики генерируют сигналы, состоящие из отдельных битов. Биты могут быть объединены в строки для формирования байтов, состоящих из n битов, передаваемых параллельно.

Примером цифрового датчика является оптический инкрементальный энкодер, встроенный в двигатель. Выход этого датчика определяет изменения положения вала двигателя.

Еще одним примером цифрового датчика является цифровой компас. Он определяет направление, в котором он возвращается, отправляя 9-битное чтение в диапазоне от 0 до 359 (сигнал может принимать 360 возможных значений).

Некоторые цифровые датчики на самом деле являются аналоговыми датчиками со встроенными аналого-цифровыми преобразователями. Настоящие цифровые датчики генерируют цифровой сигнал напрямую.

Выходные данные датчика передаются в виде цифрового сигнала — на качество передаваемого сигнала не влияет длина кабеля, его сопротивление или импеданс, электромагнитные помехи.

Пример дискретного, аналогового и цифрового датчиков можно увидеть ниже на фотографиях.

Смеситель с дискретным датчиком движения

Аналоговый датчик температуры

Цифровой датчик влаждности и температуры для устройств на базе Ардуино

Очень часто начинающие электрики путают датчики и реле. На самом деле это разные устройства: Датчики и реле — в чем разница

Еще одной из наиболее часто используемых классификаций датчиков является классификация, учитывающая вид физического явления, которое используется при работе датчика.

Принимая во внимание способ генерации измерительного сигнала, датчики можно разделить на параметрические и генераторные датчики.

В первой группе датчиков параметр датчика — емкость, индуктивность, сопротивление — также изменяется при изменении измеряемой величины. Такое решение требует вспомогательного источника энергии, включаемого в электрическую цепь, обеспечивающего изменение ее параметров в результате входного сигнала.

К наиболее важным электрическим параметрическим датчикам относятся индуктивные и емкостные датчики, а также термометры сопротивления, фоторезисторы, магниторезисторы и др.

С другой стороны, в датчиках генерации электроэнергии эффектом измеряемой величины на выходе является электрический сигнал. К этой категории относятся, в первую очередь, пьезоэлектрические датчики, термопары, датчики Холла и др.

В качестве датчиков могут быть использованы элементы, у которых между входной и выходной величинами существует однозначная зависимость, т. е. такие элементы, у которых каждому значению входной величины соответствует только одно определенное значение выходной величины.

Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин называется статической характеристикой датчика. Каждый датчик характеризуется своей чувствительностью и разрешающей способностью.

Датчик стараются использовать только в той области, где его статическая характеристика представляет собой прямую линию. В этом случае чувствительность имеет постоянное значение на всем диапазоне измерений.

Светодиодный светильник с датчиками движения и освещенности

Разрешающей способностью или порогом чувствительности называют то наименьшее значение входной величины, которое вызывает изменение выходного сигнала, превышающее уровень шумов на выходе датчика.

Для получения качественных результатов измерения необходимо, чтобы датчик не оказывал существенного влияния на входную величину.

При измерении, например, температуры термометром сопротивления необходимо, чтобы тепло, выделяемое чувствительным элементом, не искажало измеряемой температуры в точке замера.

В случае измерения числа оборотов мощность, которую потребляет тахогенератор, должна быть намного меньше мощности, передаваемой валом, чтобы обороты вала не изменялись при присоединении тахогенератора.

Существуют датчики, в которых совершается только одно преобразование.

Например, в термометре сопротивления изменение температуры преобразуется в изменение сопротивления. Имеются также датчики, в которых совершается два или более последовательных преобразований.

Так, в датчике, определяющем скорость потока, состоящем из проволочки, обтекаемой током, изменение входной величины — скорости потока — преобразуется в изменение температуры датчика, а изменение температуры — в изменение сопротивления. Сопротивление и является выходной величиной.

Примеры использования датчиков:

Как устроен и работает терморегулятор электрического утюга

Как устроен и работает автоматический регулятор на примере камеры инкубатора

Надежная работа устройства, машины, автоматической системы в значительной степени зависит от правильного выбора и использования соответствующих датчиков: Выбор датчиков, основные принципы и критерии выбора

Термопара для измерения температуры в электрическом котле

В автоматических системах наиболее часто используются датчики температуры, самым популярным видом которых являются термопары.

Термопара используется для замера температуры и состоит из двух проводников, сделанных из различных материалов и называемых термоэлектродами.

При замере температуры на одном конце термопары (называемым свободным) поддерживается постоянная температура, а другой конец (называемый рабочим) помещается в среду, температура которой измеряется.

Подробно про термопары:

Как устроены и работают термопары и термоэлектрогенераторы

Схемы включения и компенсации термопар

Достоинства и недостатки различных датчиков температуры

Аналоговые, дискретные, цифровые.

Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Различают два пространства сигналов — пространство L (непрерывные сигналы), и пространство l (L малое) — пространство последовательностей. Пространство l (L малое) есть пространство коэффициентов Фурье (счетного набора чисел, определяющих непрерывную функцию на конечном интервале области определения), пространство L — есть пространство непрерывных по области определения (аналоговых) сигналов. При некоторых условиях, пространство L однозначно отображается в пространство l (например, первые две теоремы дискретизации Котельникова).

Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются дискретные (квантованные, цифровые). Примеры непрерывных пространств и соответствующих физических величин:

· прямая: электрическое напряжение

· окружность: положение ротора, колеса, шестерни, стрелки аналоговых часов, или фаза несущего сигнала

· отрезок: положение поршня, рычага управления, жидкостного термометра или электрический сигнал, ограниченный по амплитуде различные многомерные пространства: цвет, квадратурно-модулированный сигнал.

Свойства аналоговых сигналов в значительной мере являются противоположностью свойств квантованных или цифровых сигналов.

Отсутствие чётко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчёте «количество информации» будет ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения.

Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого сигнала (в частности, полоса частот).

Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона — о быстрых изменениях давления в звуковой волне, и т.п.

Цифровой сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания — это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы (baseband) передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты.

Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Замечание. Следует иметь в виду, что реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Из-за шумов и изменения параметров линий передачи он имеет флуктуации по амплитуде, фазе/частоте (джиттер), поляризации. Но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа. В результате для его обработки становится возможным использование численных методов (компьютерная обработка).

Дискретность (от лат. discretus — разделенный, прерывистый) — прерывность; противопоставляется непрерывности. Напр., дискретное изменение к.-л. величины во времени — это изменение, происходящее через определенные промежутки времени (скачками); система целых (в противоположность системе действительных чисел) является дискретной.

Дискретный сигнал — сигнал, параметр которого принимает последовательное во времени конечное число значений (при этом все они могут быть пронумерованы).

Сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов — дискретным сообщением. Информация передаваемая источником, в этом случае также называется дискретной информацией.

Выходные сигналы ДУС

Датчики угловой скорости (ДУС), разработанные Лабораторией Микроприборов, могут иметь различные типы выходных сигналов, например:

• Аналоговый дифференциальный
• Аналоговый несимметричный/псевдо-дифференциальный
• Цифровой сигнал

Расскажем подробнее, какие бывают выходные сигналы ДУС и в какой продукции используются те или иные сигналы.

Аналоговый дифференциальный сигнал

Особенности: помехозащищенность при передаче на большое расстояние, высокая стойкость к внешним помехам; используется витая пара (количество линий выходного сигнала- два провода).

U – напряжение питания выходного аналогового тракта,
D – диапазон измеряемых угловых скоростей (в зависимости от исполнения,
K – масштабный коэффициент (в зависимости от исполнения: мВ/(°/с)
WX+, WY+, WZ+ — неинвертированная линия дифференциального сигнала;
WX-, WY-, WZ- — инвертированная линия дифференциального сигнала.

Аналоговый несимметричный и псевдо-дифференциальный сигналы ДУС

В ТГ-100 используется аналоговый несимметричный/псевдо-дифференциальныйможет быть использован и как несимметричный (количество линий выходного сигнала — один провод для передачи), и как псевдо-дифференциальный (количество линий выходного сигнала — два провода).

D — диапазон измеряемых угловых скоростей,  К – масштабный коэффициент, мВ/(°/с)REF — опорный сигнал, примерно 2.4В относительно GND.

Измерение может проводиться относительно общего вывода (GND) или относительно опорного сигнала (REF). При измерении относительно опорного сигнала диапазон изменения выходного сигнала составляет ±REF, В.

Аналоговый несимметричный сигнал

В ТГ-19 используется аналоговый несимметричный

Особенности: требует меньше проводов для передачи; количество линий выходного сигнала — один провод.

График выходного сигнала для ТГ-19 такой же, как на предыдущем рисунке. Выходной сигнал датчика (WX/WY/WZ) измеряется относительно общего вывода (GND). REF – внутренний опорный сигнал, равный выходному напряжению в состоянии покоя.

В ТГ-18 используется цифровой сигнал

Особенности: дуплексный (полнодуплексный) режим; количество линий выходного сигнала– два провода.

График выходного сигнала для ТГ-18 такой же, как на предыдущем рисунке: выходной сигнал в float.

Аналоговые входные и выходные сигналы приборов, датчиков, расходомеров и устройств автоматизации.

Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.

Техническая поддержка и покупка ДУС

Мы ответим на ваши вопросы и поможем с выбором ДУС. Также делитесь с коллегами данным материалом, наша команда будет рада отзыву для улучшения или уточнения статьи.

Больше новостей на нашей странице в фейсбук по адресу.

Как сигналы ДУС зависят от угловой скорости?

Выходной сигнал ДУС линейно зависит от измеряемой угловой скорости.

Диапазон измерения ДУС

то интервал значений измеряемой угловой скорости. Во всем диапазоне при измерении угловой скорости выходной сигнал сохраняет линейный (пропорциональный) характер.

К – масштабный коэффициент – определяет зависимость выходного сигнала от измеряемой угловой скорости.

Масштабный коэффициент определяется как отношение выходного сигнала к внешнему воздействию (измеряемой угловой скорости): выходной сигнал /

Например, выходной сигнал 2В (относительно опоры в ДУС с аналоговым несимметричным выходным сигналом или аналоговым дифференциальным выходным сигналом), а измеряемая угловая скорость 100град/с, тогда К=2В/100 град/с= 2000мВ/100град/с=20мВ/(град/с)

Это график зависимости вариации Аллана от времени корреляции. Вариация Аллана является аналогом дисперсии и служит для описания величины случайной погрешности датчика. Диаграмма Аллана позволяет наглядно оценить характер случайных погрешностей и их величину.

Аналоговые, токовые и напряжения, входные и выходные сигналы приборов, датчиков, расходомеров и др. устройств автоматизации. 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА, 0-0,01 В / 0-1В / 0-10 В.

Первычные измерительные приборы (температуры, давления, веса, сопротивления, влажности, расхода и т.д.) реализуют тот или иной физический эффект. Поэтому, первичный выходной сигнал от них может быть, в принципе, любым. То, что мы называем в повседневной жизни «датчиком со стандартным сигналом выхода» на самом деле состоит из первичного измерительного прибора и преобразователя первичного сигнала в стандартный токовый сигнал или стандартный сигнал напряжения. Продолжение — после поясняющего рисунка:

Рисунок: Стандартная схема преобразования аналоговых сигналов в системах автоматизации.

Почему самым популяным стал входной-выходной аналоговый сигнал 4-20 мА? Потому, что обрыв в цепи с сигналом 0-20 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю — допустим, а 0 в токовой петле 4-20 мА однозначно свидетельстует об обрыве.

Легко догадаться, что токовый сигнал выдается генератором тока, а аналоговый — генератором напряжения. Ни тот ни другой не являются и не могут быть бесконечно устойчивыми, поэтому, на цепи этих сигналов накладываются некоторые ограничения. Две таблички ниже дают сводную информацию по самым популярным сигналам, а подробные требования к цепям для таковых сигналов и к самим сигналам смотри в ГОСТ 26.011-80.

Таблица 1. Требования к цепям аналоговых сигналов напряжения постоянного тока. Аналоговые сигналы напряжения.

Таблица 1. Требования к цепям аналоговых сигналов постоянного тока . Аналоговые токовые сигналы. Аналоговые токовые петли. Постоянный ток.

Подробные требования к цепям для таковых сигналов и к сигналам в ГОСТ «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».

ГОСТ 26. 011-80. Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И АВТОМАТИЗАЦИИ.
СИГНАЛЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
НЕПРЕРЫВНЫЕ ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

Несоблюдение стандарта преследуется по закону

1. Настоящий стандарт распространяется на средства измерений и автоматизации (СИА) и устанавливает основные параметры электрических непрерывных входных и выходных сигналов тока и напряжения, предназначенных для информационной связи между СИА.

Стандарт не распространяется:

на генераторные первичные преобразователи СИА с выходными сигналами, параметры которых однозначно связаны с преобразуемой физической величиной и по своей природе не зависят от конструкции и параметров самого преобразователя, и на устройства, воспринимающие эти сигналы (в части входных сигналов);

на СИА, сигналы которых выдаются только на устройства, поставляемые и работающие комплектно с ними (в части этих сигналов).

Пояснение терминов, используемых в настоящем стандарте, дано в справочном приложении.

2. Пределы изменения силы тока сигналов постоянного тока для СИА, в том числе и входящих в агрегатные комплексы (АК), а также входные и нагрузочные сопротивления следует выбирать из табл. 1.

* Допускается по согласованию с потребителем.

. Значения, указанные в скобках, относятся к СИА, выполненным на интегральных микросхемах.

3. Пределы изменения абсолютных значений сигналов напряжения постоянного тока, входные и нагрузочные сопротивления следует выбирать по табл. 2.

. Значения нагрузочных сопротивлений, не указанные в табл. 2, должны быть установлены в стандартах и (или) технических условиях на СИА конкретного вида.

4. Пределы изменений амплитудных значений сигналов напряжения переменного тока частотой 50 и 400 Гц необходимо выбирать из следующих значений:

от 0 до 0,5 В

от -1* до 1 В

от 0 до 2 В

5. Пределы изменения составляющих относительных значений сигналов напряжения постоянного тока и амплитудные значения переменного тока частотой 50 и 400 Гц следует выбирать из табл. 3.

6. Значения пульсации сигналов постоянного тока и напряжения должны быть не более 0,1; 0,25; 0,6 % верхнего предела изменения выходных сигналов и устанавливаться в стандартах и (или) технических условиях на СИА конкретного вида.

1. Указанное нормирование относится к случаям, когда информацию несет мгновенное значение сигнала. Если информацию несет среднее значение сигнала, то нормирование пульсации следует проводить в стандартах и (или) технических условиях на СИА конкретного типа.

2. Значение пульсации сигналов тока при нагрузочных сопротивлениях, не превышающих значений, указанных ниже, следует устанавливать в технических условиях на СИА конкретного вида.

От    0          до    5 мА        включ.                              1000 Ом

»       -5        »       +5 мА         »                                      1000 Ом

»       0         »       20 мА          »                                      250 Ом

»       4          »       20 мА          »                                      250 Ом

»       -20      »       +20 мА       »                                      250 Ом

»       -100    »       +100 мА     »                                      50 Ом

(Измененная редакция, Изм. № 1).

7. Коэффициент гармоник сигналов напряжения переменного тока должен быть не более 5 %.

8. Угол сдвига фазы сигнала напряжения переменного тока по отношению к фазе напряжения питания или фазе тока питания, сдвинутой на 90, выбирают из следующего ряда: (0 +/- 0,5), (1 +/- 0,5), (2 +/- 0,5), (3 +/- 1,0), (5 +/- 1,0), (7 +/- 1,5)°.

(Введен дополнительно, Изм. № 1).

* Знак минус означает сдвиг фазы сигнала на 180°.

ПОЯСНЕНИЕ ТЕРМИНОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НАСТОЯЩЕМ СТАНДАРТЕ

• — сигнал, поступающий от источника с входным сопротивлением, значение которого намного меньше входного сопротивления приемника сигнала.
• — сигнал, поступающий от источника с выходным сопротивлением, значение которого намного больше входного сопротивления приемника сигнала.
• Абсолютное значение сигнала напряжения — напряжение, соответствующее значению измеряемого параметра.
• Относительное значение сигнала напряжения — отношение между собой двух напряжений, дающее информацию о значении измеряемого параметра.
• — сумма сопротивлений всех соединенных приемников сигнала и линий связи.
• — разность между наибольшими и наименьшими мгновенными значениями сигнала.
• — по ГОСТ 16465-70.