2.4 Пристрої нормалізації сигналів

Нормалізацією вважають будь-яке перетворення сигналів з аналогових датчиків, окрім їх посилення і аналого-цифрового перетворення. Пристрої нормалізації є найпершими засобами обробки сигналів на шляху від датчиків технологічних параметрів до оператора або виконавчого механізма, що впливає на технологічний процес.

Головними причинами, що викликають необхідність застосування цих пристроїв, являються:

• накладення на сигнали перешкод у вигляді змінної напруги, в основному промислової частоти 50 Гц, створених робочим устаткуванням, мережами енергопостачання і потужними сигналами, що керують, створюються самою системою управління;

• потреба узгодження параметрів датчиків і сигналів з характеристиками пристроїв, що забезпечують подальше перетворення сигналів.

Пристрої нормалізації сигналів є прості електричні ланцюги, що складаються з декількох елементів — резисторів, конденсаторів або котушок індуктивності. Вони розміщуються максимально близько до входів підсилювачів, аналого-цифрових перетворювачів і інших пристроїв, які виконують подальше перетворення сигналів.

Фільтри. Послаблення наведених перешкод промислової частоти і особливо високочастотних перешкод від спрацьовування пускачів і реле забезпечують за допомогою простих RС-фільтрів, що містять резистор R і конденсатор C (мал. 31, а). Для більшості сигналів ця схема забезпечує достатнє пригнічення, але при необхідності можна включити послідовно дві такі ланки. Конденсатор фільтру зазвичай має велику місткість (десятки і сотні мікрофарад), тому використовують електролітичні конденсатори, а для компенсації наявної у них індуктивності часто підключають паралельно їм ще один конденсатор невеликої місткості.

Якщо в технологічному процесі використовуються агрегати, які створюють особливо потужні електромагнітні поля промислової або іншої частоти, то застосовують подвійний Т-подібний фільтр (мал. 31, б), що забезпечує сильне пригнічення сигналу саме на цій частоті.

Рисунок 31 – RC-фільтри

а – одно ланковий, б – подвійний Т-подібний

Перетворювачі струму в напругу. Вихідним сигналом ряду датчиків є постійний струм, тоді як пристрої подальшої обробки сигналів працюють з вхідним сигналом у вигляді напруги. Перетворення струмових сигналів у вихідний сигнал напруги Uвих здійснюється за допомогою резистора, включеного паралельно входу наступного пристрою (мал. 32).

Опір резистора визначають виходячи з максимально можливого струму вхідного сигналу і максимально допустимої напруги на вході вимірювального пристрою, оскільки чим вище рівень сигналу, тим менше вплив перешкод і більше точність перетворення. При цьому треба враховувати вхідний опір самого пристрою, який виявляється паралельним резистору.

Рисунок 32 – Перетворювач струму в напругу

Точність і стабільність резистора природно позначаються на точності всього перетворення, тому клас точності резистора повинен відповідати погрішності вимірювального пристрою.

Атенюатори. Деякі датчики, джерела дискретних сигналів технологічного устаткування і пристрою перетворення сигналів мають вихідну напругу, що перевищує максимально допустимий рівень вхідного сигналу наступних пристроїв. Наприклад, з дискретного датчика може поступати напруга 12 В, тоді як стандартна вхідна напруга регістрів і лічильників складає всього 5 В. У такому разі для послаблення сигналів застосовують атенюатори.

Атенюатор, або дільник напруги, складається з двох послідовно сполучених резисторів R₁ і R₂, які підключаються до виходу джерела сигналу U_вих (рис. 33). Напруга U_вх на наступний пристрій подається з одного з цих резисторів, наприклад К2. Воно виявляється ослабленим в порівнянні з початковим сигналом в n разів, де n = (R₁ + R₂)/ R₂.

Рисунок 33 - Атенюатор

Величина n залежить також від вихідного опору джерела сигналу, яке в ідеалі дорівнює нулю, і від вхідного опору наступного пристрою, в ідеалі нескінченно більшого. Точність атенюатора визначається не точністю самих резисторів, а точністю дотримання співвідношення їх опорів, тому зазвичай їх підбирають відразу парами.

Мостові вимірювальні ланцюги.

Параметричні датчики самих різних типів мають в якості вихідної величини зміну одного з електричних параметрів : опори, індуктивності або місткості. Проблема в тому, що ці параметри мають якісь значення навіть при відсутності вхідної дії на датчик. В результаті після не-посереднього перетворення цих параметрів у більше зручну для подальшої обробки величину — напруга — отримуються ненульові його значення при нульовій дії на датчик, т. е. при нульовому значенні технологічного параметра. Звичайно, це створює незручність як для оператора, утрудняй сприйняття ним інформації про параметри технологічного процесу, так і для пристроїв подальшої обробки сигналів.

Для усунення такого зрушення напруги було б природним зрушити відповідно до нульовий рівень вхідного сигналу пристрою, на який поступає сигнал від датчика. Проведемо аналогію: для виміру висоти струменя, що б'є вгору, фонтан потрібно брати в якості нульового рівня не рівень землі, а той рівень, на якому знаходиться сопло фонтану, інакше може вийти результат в декілька метрів навіть при вимкненому фонтані. Зрушення нульового рівня означає, що треба створити напругу, рівну сигналу з датчика при нульовій дії на нього, і вже від цієї напруги відлічувати значення сигналу. Це можна зробити за допомогою мостового вимірювального ланцюга.

а б

Рисунок 34 - Мостові вимірювальні кола: а — проста; б — для диференціального датчика

На мал. 34, а показаний мостове коло , утворений трьома резисторами R₁, R₂, R₃ і вихідним опором датчика R_д. Вона живиться від джерела напруги Е_жив. Опори резисторів підбираються так, що R₁/R₂ = R₃/R_д. Отже, напруга на опорах R₂ і R_д однакові і їх різниця U_вих дорівнює нулю. Ця напруга і є вихідною величиною мостового кола.

При дії на датчик з боку технологічного параметра опір датчика R_д змінюється, відповідно змінюється і напруга на ньому. Тепер воно відрізняється від напруги на R₂ і різницю цих напруг (вихідний сигнал мостового кола Uвих) стає відмінною від нуля, причому вона може бути як позитивною, так і негативною.

Приведене мостовий коло є найпростішим, і його функція перетворення лінійна в дуже вузькому діапазоні. При роботі такого кола з диференціальним датчиком з вихідними опорами R_д1 і R_д2 (рис. 34, б) діапазон лінійності суттєво розширюється.

Якщо вихідна величина датчика — індуктивність або ємність, то мостове коло повинне живитися від джерела змінної напруги. В цьому випадку коло трохи ускладнюється, але принцип його роботи залишається тим же.