3. Общая структурная схема датчиков

Обобщенная структурная схема датчика показана на рис.1.3:

ФВ

Рис.1.3.Обобщенная структурная схема датчика

Общий состав датчика:

• ЧЭ;

• Измерительные преобразователи (в первичных датчиках – отсутствуют);

• Интерфейсы передачи измерительной информации;

• Интерфейс электропитания (в первичных датчиках – отсутствует);

• Механический интерфейс установки и крепления датчика на объекте измерения;

• Средства защиты ЧЭ от воздействия рабочей среды;

• Средства защиты ИП от воздействия окружающей среды.

Интерфейсы передачи измерительной информации – соединители, могут быть:

• Электрическими;

• Информационными.

Любой из них может отсутствовать. При наличии электрического интерфейса он, обычно, интегрируется с интерфейсом электропитания постоянным током.

Электрические соединители могут быть:

• Клеммные (наиболее распространенные);

• Разъемные.

Тип информационного соединителя определяется требованиями используемого коммуникационного интерфейса.

Обычным средством защиты ЧЭ от неблагоприятного воздействия рабочей среды является соответствующая его изоляция в виде прочного корпуса или специального покрытия. Выбор формы и размеров корпуса позволяет установливать ЧЭ в нужное место оборудования.

Обычным средством защиты ЭИ от внешней среды является прочный корпус с высокой степенью защиты от пыли и влажности, и с высоким уровнем антикоррозионной защиты, за счет соответствующих покрытий.

Механический интерфейс обеспечивает установку датчика на оборудовании в месте, необходимым для измерения, и удобном для текущего обслуживания датчика.

4. Классификация датчиков по глубине преобразования

Виды аналоговых датчиков по глубине преобразования:

• естественный (первичный),

• электронный,

• микропроцессорный (микроконтроллерный):

• интеллектуальный.

Дополнительные технические возможности датчиков:

• средства визуализации выходных сигналов (цифровой жидкостно-кристаллический индикатор (ЖКИ), символьный или графический дисплей);

• средства визуализации состояния работоспособности датчика (светосигнальный элемент),

• средства контроля и сигнализации процесса (для функциональных реле).

1.Датчик - первичный измерительный преобразователь.

Состав:

• ЧЭ (генераторный или параметрический),

• Электрический и механический интерфейсы,

• средства защиты ЧЭ и электрического интерфейса.

Подавляющее число первичных датчиков ПА – термосенсоры, выполненые с клемными соединителями.

Виды первичных термодатчиков по конструкции:

• к

  

  Рис.1.4.Примеры корпусных и кабельных первичных термодатчиков

  орпусные – имеют специальный составной корпус, защищающий ЧЭ от воздействия рабочей среды и соединитель - от воздействия внешней среды;

• кабельные – безкорпусные, не содержат собственного электрического интерфейса, имеют защиту удлинительных проводов в виде гибкого кабеля с многослойной изоляцией (для установки датчика в труднодоступных местах)

Примеры корпусных и кабельных первичных термодатчиков приведены на рис.1.4.

Принципы действия наиболее распространенных датчиков температуры изложены далее.

2.Датчик электронный с унифицированным выходным сигналом.

Состав (рис.1.5):

• первичный чувствительный элемент со средствами защиты от воздействия рабочей среды,

• аналоговая электронная схема,

• интерфейс электрический и электропитания;

• защитный корпус электронной схемы и ЭИ от воздействия внешней среды

Рис.1.5. Обобщенная функциональная схема электронного датчика с унифицированным выходным сигналом

Электронной схемой является усилитель с нормированными метрологическими характеристиками и с возможностью ручной подстройки при калибровке (2 регулировочных элемента).

3.Датчик микропроцессорный с унифицированным выходным сигналом и/или коммуникационным портом и/или выносным индикатором.

Состав (рис.1.6):

• первичный чувствительный элемент со средствами защиты от воздействия рабочей среды,

• микропроцессорная система, возможно, интегрированная в единую микросхему;

• интерфейс коммуникационный (порт) (может отсутствовать);

• интерфейс электрический для унифицированных сигналов (может отсутствовать);

• интерфейс электропитания (может быть конструктивно объединен с предыдущим);

• интерфейс внешнего или встроенного индикатора (могут отсутствовать);

• интерфейс электрического сигнала контроля (только для функциональных реле);

• индикатор (встроенный или подключаемый внешний) (может отсутствовать);

• встроенный сигнальный элемент контроля работоспособности (может отсутствовать);

• защитный корпус электронной микропроцессорной системы и интерфейсов от воздействия внешней среды

Чувствительный

элемент

Интерфейс электрический выходной

Рис.1.6. Обобщенная функциональная схема микроконтроллерного (информационного) датчика

Индикатор может отсутствовать, или может быть:

• встроенным, подключаемым или выносным;

• стрелочным или цифровым.

3.Датчик микропроцессорный с унифицированным выходным сигналом.

Обобщенный состав (рис.1.5):

• чувствительный элемент,

• микропроцессорная плата (модуль):

• аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

• энергонезависимая память с конфигурационной информацией:

• коэффициенты коррекции АЦП,

• пределы диапазона,

• время усреднения,

• и т.д.,

• управляющий микропроцессор с энергонезависимой памятью:

• с системным программным обеспечением (ПО) функций управления датчиком, включая:

• обмен данными по внутренней шине,

• прием / передача данных через порт связи,

• прикладным ПО обеспечивающим:

• хранение переходной характеристики,

• линеаризацию,

• изменение диапазона,

• усреднение,

• пересчет физических единиц,

• терминальный порт связи внешних информационных устройств (например, с ПК с соответствующей конфигурационной программой) с энергонезависимой памятью датчика,

• цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для получения унифицированного выходного сигнала,

• внутренняя шина связи микропроцессора с другими информационными устройствами датчика,

• корпус:

• защита от воздействия внешней среды: ЧЭ, электронных элементов,

• крепление соединителей с внешним устройством и коммуникационных разъемов,

• крепление индикатора (при наличии).

Принцип действия:

1. сигнал с ЧЭ по запросу (команде) микропроцессора в АЦП преобразуется в число,

2. в соответствии с прикладным ПО полученное число корректируется и усредняется в соответствии с конфигурационными параметрами,

3. полученное число подается в ЦАП и преобразуется в унифицированный сигнал, подаваемый на выходы датчика,

4. запись в память конфигурационных параметров (например, по результатам калибровки) производится через специальный терминальный порт с помощью внешнего информационного устройства (например, компьютера) со специальным конфигурационным ПО.

Преимущество: простота изменения и обеспечения стабильности конфигурации по сравнению с настройкой аналоговых схем.

Примечание: все преобразовательно - информационные функции датчика с достаточной точностью выполняются соответствующим микроконтроллером (т.е. единой микросхемой), возможно с обеспечивающими микросхемами: интерфейсной связи, генерации опорного напряжения и т.д.

4.Датчик микроконтроллерный с коммуникационными возможностями.

Микропроцессорный (микроконтроллерный) датчик с коммуникационным портом обмена данными и соответствующим системным и прикладным ПО, обеспечивающим эти коммуникационные возможности. Обмен производится в составе определенной системы информационных средств - обычно по информационной сети с протоколом битовой формы. По виду схема не отличается от показанной на рис.1.5. если используемый порт – коммуникационный. Этот же порт используется для конфигурации датчика.

В датчиках, с широко распространенным на сенсорном уровне протоколом обмена HART, канал этого обмена совмещен с выходным аналоговым унифицированным сигналом и обеспечивается специальными модемами.

5.Датчик микроконтроллерный с дисплеем (индикатором).

Индикатор обеспечивает возможность оперативного контроля показаний датчика. В некоторых случаях содержит также сигнальные элементы тревожной сигнализации и соответствующие органы настройки такой сигнализации.

Типы индикаторов (рис.1.6):

• стрелочный – обычно для электронных датчиков с унифицированными сигналами,

• цифровой - обычно –ЖКИ с подсветкой или без нее, используется для микропроцессорных датчиков.

Конструкция:

• встроенный,

• выносной.

Рис 1.5.Примеры общего вида индикаторов датчиков

Выносной индикатор – электрически связанный с датчиком, но конструктивно отдельный от него.

Обеспечивает:

• более удобный обзор,

• меньшие требований к исполнению по защите от внешней среды (может быть вынесен из особо тяжелых условий эксплуатации датчика),

• возможность установки в щитовой пульт управления.

Встроенный индикатор - для удобства доступа к электронному преобразователю может разворачиваться относительно измерительного блока.

6.Датчик интеллектуальный.

По схеме незначительно отличается от микропроцессорных (микроконтроллерных) датчиков с коммуникационными возможностями и дополнительно обеспечивает:

• автоматическое или с несложным конфигурированием встраивание в соответствующую интерфейсу его порта коммуникационную сенсорную сеть (как ведомый),

• постоянную автоматическую самокалибровку,

• постоянное автоматическое тестирование состояния работоспособности и диагностику при сбое в работе,

• хранение и воспроизведение данных, записанных изготовителем.