6. Устройства вввода и вывода регуляторов
Автоматические регуляторы (АР) содержат в своем составе датчики (первичные преобразователи), барьеры искровой защиты, нормирующие преобразователи, преобразователи непрерывного сигнала в цифровой код и преобразователи кода в аналоговый сигнал. Данные преобразователи (часто сами являющиеся микропроцессорными) входят в состав устройств сопряжения регуляторов с объектом управления (УСО), так как предназначены для согласования объекта со средством обработки и представления информации и технически оформляются как модули ввода и вывода аналоговой или дискретной информации.
6.1. Барьеры искровой защиты
Барьеры искрозащиты применяются для сопряжения электрооборудования, расположенного во взрывоопасной зоне, с электрооборудованием, установленным во взрывобезопасной зоне, и служат в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями. Искрозащита достигается использованием электрических цепей, исключающих появление напряжений или токов, при которых возможен искровой разряд, например, включая нелинейный элемент - стабилитрон.
Разновидностью таких устройств являются барьеры для защиты электрооборудования, подключенного к измерительным и управляющим цепям, от бросков тока, наведенных в результате разрядов молний. Защитные устройства могут быть установлены в диспетчерской или непосредственно в месте размещения оборудования. Обеспечивается защита от всплесков напряжения между каждым сигнальным проводом и корпусом устройства (несимметричное напряжение) и между проводниками (симметричное напряжение).
Также имеются барьеры искробезопасности с гальваническим разделением цепей.
6.2. Нормирующие преобразователи
Основными функциями нормирующих преобразователей (НП) или нормализаторов являются приведение границ параметров первичного сигнала датчика к одному из стандартных диапазонов, принятому для входного сигнала измерительного средства (аналого-цифровой преобразователь и т.д.), и согласование стандартного диапазона выходного сигнала управляющего элемента с видом (ток/напряжение) и диапазоном входного сигнала исполнительного устройства. Дополнительными функциями устройств нормализации, как правило, являются предварительная фильтрация первичных сигналов, а также обеспечение надежной гальванической развязки между первичными измерительными или исполнительными цепями и соответствующими цепями контроля или управления более высокого уровня.
Современные интеллектуальные датчики – это высокоинтегрированные устройства, в которых объединены функции приёма, фильтрации, нормализации, хранения, преобразования в цифровую форму, вычислительной обработки и передачи по одному из множества используемых в промышленности последовательных интерфейсов величины физического параметра (температуры, давления, уровня жидкости, давления, концентрации и т.д.). Кроме того, эти устройства могут проводить периодическую автокалибровку с внесением соответствующих поправок во флэш-память и корректировать дальнейшие результаты измерений с учетом возможной погрешности. Учитывая возросшие возможности современных датчиков, может показаться, что такие устройства, как нормализаторы, исчерпали себя. Тем не менее, практика показывает, что данные устройства пользуются широким спросом. Причин здесь несколько.
1. Существует много производств, до сих пор использующих огромный парк первичных датчиков, термопары, терморезисторы и т.д., выходные сигналы которых не унифицированы и нуждаются в согласовании перед использованием в системе управления. При модернизации таких производств с целью повышения метрологических характеристик системы управления, экономически оправданной, оказывается замена именно элементов нормализации, так как всеобщая замена первичных датчиков на датчики интегральные ведёт к существенным издержкам, связанным с дорогостоящими монтажными работами (сложный демонтаж, несовпадение габаритов старого и нового оборудования, необходимость прокладки новых коммуникационных каналов, соответствующих современным спецификациям промышленных интерфейсов и т.д.).
2. Применение нормирующих преобразователей позволяет упростить построение систем с дублированием каналов обработки сигналов от одного первичного датчика (параллельное подключение потребителя).
3. Являясь одноканальными, элементы нормализации при построении управляющих систем позволяют реализовать принцип модульности аппаратуры, минимизируя информационные (и финансовые) потери в системе при выходе нормализатора из строя.
4. Внешний элемент нормализации, выполненный на основе специализированной микросхемы по сравнению с платой изолированного ввода-вывода, устанавливаемой в слот компьютера, обеспечивает более качественную гальваническую развязку и более эффективно устраняет возможное влияние сильноточных или высоковольтных входных сигналов на аппаратуру системы.
Характеристики нормирующих преобразователей. Нормирующие преобразователи строятся на основе операционных усилителей (ОУ), потому их характеристики однородны свойствам ОУ.
Полоса пропускания (Bandwidth) – это диапазон частот, для которого величина передаточной функции составляет не меньше 70,7% от своего максимального значения.
Время отклика (Response Time) – время, необходимое измерительной системе (прибору), чтобы изменение входного измеряемого сигнала достигло на выходе 90% от своего входного значения.
Нелинейность (Nonlinearity). Линейность системы предполагает, что выходной сигнал прямо пропорционален входному сигналу (чувствительность системы не зависит от значения измеряемой величины), то есть график зависимости выходной величины от входной измеряемой величины представляет собой прямую линию с определённым углом наклона. В реальных устройствах отмечаются отклонения этой зависимости от идеальной линейной характеристики. Разность между реальным значением величины и теоретическим значением, полученным при предположении, что система измерения линейна, определяет такую характеристику, как нелинейность систем.
Подавление помехи нормального вида (NMR – Normal-Mode Rejection). На входе инструментального усилителя на постоянную составляющую сигнала датчика накладывается переменная составляющая помехи. Величина, характеризующая степень уменьшения влияния переменного сигнала помехи нормального вида на значение выходного сигнала и приводимая в децибелах для конкретного значения частоты (например, для частоты силовой цепи питания 50 или 60 Гц), называется подавлением помехи нормального вида.
Подавление помехи общего вида (CMR – Common-Mode Rejection) – выраженная в децибелах величина отношения коэффициента передачи дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала
На рис. 6.1. показаны основные способы усиления сигналов датчиков с помощью операционных усилителей. В инвертирующей схеме (а) выходное напряжение Uвых противоположно входному Uвх по знаку и зависит от соотношения сопротивлений R1, R2. В неинвертирующей схеме (б) выходное напряжение имеет знак входного. В дифференциальной схеме (в) выходное напряжение пропорционально разности напряжений на входах операционного усилителя.
Рис. 6.1. Схемы применения операционных усилителей для нормализации
сигналов датчиков: а - инвертирующая; б- неинвертирующая;
в- дифференциальная схемы