Практически все современные измерительные системы преобразуют сигналы в цифровую форму для дальнейшей передачи, обработки и хранения. Нормирующие преобразователи ведут преобразование в аналоговый унифицированный сигнал, но интерес к ним по-прежнему не ослабевает. Как же взаимосвязаны эти два подхода? Почему сегодня применение нормирующих преобразователей по-прежнему целесообразно? Это вопросы, на которые мы постараемся ответить в данной статье.
Понятие нормирующих измерительных преобразователей
Дадим определение. Нормирующие измерительные преобразователи преобразуют сигналы или параметры сигналов в унифицированные сигналы тока и напряжения с нормированными метрологическими характеристиками.
Обсудим подробнее каждый элемент этого определения. Во-первых, нормирующие преобразователи работают как с сигналами, так и с параметрами сигналов. Примерами сигналов могут служить сигналы термопар, сигналы термосопротивления, унифицированные сигналы. Форма сигнала на выходе воспроизводит форму сигнала на входе.
Иная ситуация с параметрами сигналов. Это некоторые обобщенные характеристики сигналов. Например, напряжение в сети имеет форму синусоиды, а такой параметр как среднеквадратичное значение (или действующее значение), характеризующий усредненные энергетические свойства сигнала, меняется совсем по-другому. Термин «нормирующий» делает акцент на то, что на выходе преобразователя формируется унифицированные сигналы тока или напряжения.
Только в этом случае мы называем преобразователь нормирующим. Самым распространенным сигналом является 4…20 мА. Причины большой популярности этого сигнала мы обсудим далее, но сейчас лишь отметим, что особенности именно этого сигнала делают нормирующие преобразователи такими полезными.
Наконец, последний аспект. Преобразователи являются измерительными, то есть являются средством измерения. Это означает, что метрологические характеристики преобразователей нормированы. Приборы должны быть сертифицированы и зарегистрированы в Госреестре средств измерений.
Место нормирующих измерительных преобразователей в системах изменения и управления
Какое место занимает нормирующий преобразователь системе измерений и автоматизации? Традиционно в структуре систем автоматизации выделяют несколько уровней.
Рис 1. Cтруктура типовой системы автоматизации технологических процессов
Первый уровень - уровень первичных датчиков и исполнительных механизмов. Это полевой уровень, или уровень объекта. Первичные датчики преобразуют технологические параметры в электрические сигналы, которые поступают на второй уровень. Там они измеряются вторичными измерительными приборами: регуляторами, модулями ввода и контроллерами, регистраторами. Со второго уровня управляющие сигналы возвращаются на первый уровень и поступают на исполнительные механизмы.
В этой структуре появляются нормирующие преобразователи, которые занимают промежуточное положение между первым и вторым уровнем.
Преобразование в цифру, о котором мы сказали в начале, происходит на втором уровне, а нормирующие преобразователи передают вверх и вниз аналоговые сигналы. И эти две функции не противоречат друг другу, а поддерживают и дополняют друг друга.
Физически нормирующие преобразователи могут размещаться как в месте расположения вторичных приборов, так и в области первого уровня (даже располагаться в внутри корпуса первичного преобразователя). Во втором случае к нормирующим преобразователям будут предъявляться жесткие требования по условиям эксплуатации: климатическим, механическим.
Когда нужно применять нормирующие измерительные преобразователи?
Приведем ряд признаков, при наличии которых в системе измерения, следует поставить вопрос о необходимости и целесообразности применения нормирующих преобразователей:
-
Территориальная распределенность и, как следствие, длинные соединительные провода, которые оказывают негативное влияние на точность измерения.
-
Разнородные сигналы затрудняют использование многоканальных модулей измерения
-
Оборудование различных производителей сопровождается разнообразием сигналов
-
Неблагоприятная электромагнитная обстановка приводит к большим помехам на длинных линиях.
-
Условия эксплуатации в зоне размещения первичных датчиков могут быть такими, что помещать вторичные приборы в непосредственной близости просто нельзя. Особый случай, когда сигналы поступает из взрывоопасной зоны.
Зачем применять нормирующие преобразователи?
Перейдем к главному вопросу. Зачем же все-таки нужны нормирующие преобразователи? Почему в некоторых случаях целесообразно вводить промежуточный уровень? Какие функции и свойства нормирующих преобразователей так необходимы?
Мы выделяем как минимум 11 причин, почему следует применять нормирующие преобразователи. И этот перечень, очевидно, неполный.
-
Унификация разнородных сигналов
-
Кондиционирование сигналов
-
Снижение влияния помех на слабые сигналы
-
Преобразование подобных сигналов в подобные
-
Гальваническая изоляция
-
Размножение сигналов
-
Сигнализация на переднем крае без участия контроллеров
-
Обнаружение обрывов линии связи
-
Передача на большие расстояния, экономия
-
Различные зоны размещения оборудования (климатика, механика)
-
Обеспечение искрозащиты цепей во взрывоопасной зоне
Унификация разнородных сигналов
Унификация разнородных сигналов - одна из наиболее распространенных причин.
Рис. 2. Унификация разнородных сигналов
На Рис. 2. приведен пример системы измерения различных сигналов (и обращаем внимание – параметров сигналов) с помощью простейшей (а значит и дешевой ) многоканальной платы ввода токового сигнала 4…20 мА.
Такая плата может не иметь не только индивидуальной, но даже и групповой гальванической развязки. Для каждого вида сигналов не требуется своей платы ввода. Это пример того, как нормирующие преобразователи берут на себя все сложности работы с большим разнообразием первичных сигналов и сводят это разнообразие к сигналам одного вида.
Таким образом, происходит упрощение, разгрузка и удешевление вторичных приборов, а также оптимизируется работа с большим разнообразием сигналов.
Кондиционирование сигналов
Решая задачу унификации, нормирующие преобразователи берут на себя функцию кондиционирования сигналов. На Рис. 3. показаны примеры кондиционирования сигналов термопар и термометров сопротивления.
Рис. 3. Кондиционирование сигналов
Кондиционирование сигналов означает аппаратную и программную реализацию метода измерения данного сигнала, первичную обработку сигнала, отработку аварийных ситуаций (например обрыв датчика), преобразование в унифицированный сигнал.
Первичная обработка предполагает усиление слабого сигнала, подавление помех частотой 50 Гц нормального и общего вида, линеаризацию номинальной статической характеристики, низкочастотную фильтрацию (усреднение).
Поясним принцип отработки аварийных ситуаций на примере токового сигнала 4…20 мА.
Если происходит обрыв датчика, нормирующий преобразователь переводит выходной ток в значения 3,8 мА или 21,5 мА (аварийный уровень может задаваться). Эти значения лежат за пределами линейного участка. Вторичный измерительный прибор легко распознает эти значения и трактует их как аварийные ситуации.
Итак, нормирующие преобразователи реализуют метод измерения «сложных» сигналов или его параметров, подготавливают его для передачи на большие расстояния, упрощают вторичный уровень, снижают вычислительную нагрузку на него. Все это в совокупности повышает качество сигналов и снижает стоимость второго уровня.
Снижение влияния помех на слабые сигналы
Необходимо отметить одно важное обстоятельство, справедливое для упомянутых слабых сигналов термопар и термосопротивлений.
Типичный уровень этих сигналов составляет десятки милливольт, при этом погрешность измерения не должна превышать десятков микровольт.
Вторичные измерительные приборы имеют большие входные сопротивления. Поэтому электромагнитные наводки частотой 50 Гц, возникающие в промышленных условиях, могут достигать единиц и даже десятков вольт. Если не применять нормирующие преобразователи, то проблема измерения слабых сигналов с точностью до десятков микровольт на фоне помех десятки вольт ложится на вторичные измерительные приборы.
Что дает применение нормирующих преобразователей?
-
Во-первых, их располагают в непосредственной близости к датчикам, в идеале, в соединительной головке. Это значит, что участок цепи от чувствительного элемента до нормирующего преобразователя становится предельно коротким, электромагнитные помехи на такой короткой «антенне» становятся малыми. В самом нормирующем преобразователе реализованы аппаратные и программные методы подавления помех.
-
Во-вторых, нормирующий преобразователь усиливает слабый сигнал, преобразует его в ток 4…20 мА и уже этот сильный токовый сигнал передается на большое расстояние к вторичным приборам. Токовый сигнал меньше подвержен влиянию электромагнитных помех. Помехи, несмотря на большую длину линии, будут невелики, поскольку малое сопротивление вторичного прибора, измеряющего ток, нагружает «антенну» и гасит помехи.
Таким образом, нормирующий преобразователь улучшает аналоговый сигнал, упрощает подавление помех на втором уровне системы (Рис. 4.)
Рис.4. Нормирующий преобразователь улучшает аналоговый сигнал и упрощает подавление помех на втором уровне системы
Применение токового сигнала на выходе нормирующего преобразователя снижает влияние не только помех, но и влияние соединительных проводов на точность измерения.
Токовый сигнал на выходе нормирующего преобразователя формирует генератор тока с большим выходным динамическим сопротивлением. Это сопротивление настолько велико, что паразитные сопротивления соединительных проводов практически не влияют на величину токового сигнала. Дополнительная погрешность, вызванная влиянием проводов с сопротивлением 100-200 Ом, обычно не превышает 0,01-0,05%.
В итоге, за счет применения нормирующих преобразователей снижается требования к длинным соединительным проводам, а точность измерения повышается.
Длинные линии не только собирают электромагнитный мусор, не только своим сопротивлением влияют на погрешность измерения, они еще и дорогие. Для термопар требуется дорогой компенсационный провод, для термосопротивлений - трех- или четырехпроводка.
Из сказанного выше следует, что, с точки зрения точности измерения, требования к длине и диаметру соединительных проводов, используемых для передачи токовых сигналов, не являются жесткими. Кроме того, токовый сигнал 4…20 мА не только передает полезный сигнал, но обеспечивает одновременно питание устройства. Тока 3,5 мА достаточно для питания современных электронных устройств.
Применение нормирующих преобразователей при передаче сигналов на большие расстояния оказывается экономически выгодным. Например, отказ от компенсационного провода экономически оправдан при длине 20-30 м.
Преобразование подобных сигналов в подобные и гальваническая изоляция
Рис. 5. Преобразование подобных сигналов в подобные и гальваническая изоляция
Рис. 5 продолжает тему унификации сигналов. Мы определили, что нормирующие преобразователи всё преобразуют в унифицированные сигналы. Но все представленные на рисунке сигналы уже унифицированные. Это значит, что в источники сигналов (в первичные датчики) уже встроены нормирующие преобразователи. Зачем же ставить еще один преобразователь?
Первая причина заключается в том, что унифицированный сигнал одного типа и диапазона нужно преобразовать в унифицированный сигнал другого типа и диапазона. Дело в том, что все сигналы здесь хоть и относятся к классу унифицированных, но они все разные. Можно образно сказать, что здесь требуется преобразование “подобного в подобное”. Такое встречается, когда в системе представлено большое разнообразие оборудования, особенно, разных производителей. Общая тенденция такова, что современное оборудование преимущественно ориентировано на ток 4…20 мА, но устаревшее оборудование может использовать и ток 0…5 мА, и напряжение 0…10 В.
Вторая причина – необходимость гальванической развязки. Необходимость гальванической развязки возникает, прежде всего, в тех случаях, когда многоканальная измерительная система работает с неизолированными источниками сигналов, находящихся под разными потенциалами. Как известно, в промышленных условиях даже заземленные источники, но расположенные на некотором удалении друг от друга, находятся под разными потенциалами частотой 50 Гц, обусловленными электромагнитным наводками от силовых цепей. Гальваническая развязка решает эту проблему: она полностью устраняет влияние разности постоянных потенциалов и значительно подавляет переменные наводки частотой 50 Гц. Кроме того, гальваническое разделение предохраняет измерительные цепи и от высокочастотных помех, которые вызваны короткими импульсами тока в силовых цепях. Такие импульсы возникают при работе сварочных аппаратов, индукторов, частотных преобразователей, тиристорных коммутаторов, а также при грозовых разрядах.
Очевидно, что гальваническую развязку следует реализовывать на стороне вторичных приборов. Это одна из причин применения двух преобразователей в одной линии.
Размножение сигналов
Задача разветвления унифицированных сигналов возникает, когда необходимо сигнал от одного источника (датчика) передать двум (и более) потребителям, например, в систему регулирования и одновременно в систему регистрации (Рис. 6).
Рис. 6. Задача разветвления (размножения) сигналов
Здесь также является актуальной гальваническая развязка сигналов, причем не только между входом и выходом, но и между выходами.
Покажем три варианта решения этой задачи:
-
Первый вариант показывает, как размножить токовый сигнал в несколько разных унифицированных сигналов с гальванической развязкой всех цепей. Для решения задачи несколько преобразователей включены последовательно по входу. Тип и диапазон выходного сигнала программируется в преобразователе (Рис. 7).
Рис. 7 Разветвление (размножение) токового сигнала
-
Второй вариант аналогичен первому с тем лишь различием, что входным является сигнал напряжения. Поэтому преобразователи следует включать параллельно по входу (Рис. 8).
Рис. 8 Разветвление (размножение) сигнала напряжения.
-
Наконец, в третьем случае представлено решение в виде специального преобразователя-разветвителя. В этом варианте происходит преобразование без трансформации типа сигнала, то есть ток 4…20 мА разветвляется в два тока 4…20 мА (Рис. 9).
Рис. 9. Размножение (разветвление) сигнала специальным преобразователем-разветвителем
Сигнализация на переднем крае без участия контроллеров
Нормирующие преобразователи занимают промежуточной положение между двумя уровнями системы. Они максимально приближены к источникам сигналов. Вполне естественно возложить на них контроль уровня сигнала.
В случае выхода измеренного сигнала за допустимые пределы, должна срабатывать сигнализация. Поскольку сигнализация реализуется на самом переднем крае, без участия даже второго уровня, то надежность системы повышается (Рис. 10).
Рис. 10. Сигнализация без защелки
На графике на Рис. 11 представлена работа сигнализации с функцией защелки. Сигнализация не возвращается в исходное состояние, даже если сигнал вернулся в допустимый диапазон. Возврат осуществляется путем ручного квитирования.
Рис. 11. Сигнализация с защелкой
Такая функция отслеживает даже редкие и короткие выбросы и сообщает об этом персоналу. После анализа ситуации и выполнения мер, предусмотренных технологическим регламентом, персонал может вручную снять аварийный сигнал и перевести прибор в состояние готовности.
Применение нормирующих преобразователей с токовым выходом 4…20 мА позволяет обнаруживать на вторичном уровне обрыв линий связи как до нормирующего преобразователя, так и после него, то есть на всем пути прохождения сигнала.
Все это в совокупности способствует повышению надежности системы.
