+ 2,2

Отсюда можно получить общий коэффициент усиления

»о2 = 1

01+ 2,-

Л.02

Рис. 4.7. Согласование импедансов последовательно соединенных четырехполюсников

Результат стремится к произведению G g2, если выходной импеданс первогв четырехполюсника будет намного меньше, чем входной импеданс второго. Другими словами, частотная характеристика устройства с двумя последовательно соединев-ными усилителями не будет иметь значительных искажений, если импедансы согла сованы, т. е, выходной импеданс первого устройства гораздо меньше, чем входно» импеданс второго.

Для согласования импедансов в системе "датчик - измерительный преобразователь" и с последующими цепями может потребоваться включение одного или не скольких усилителей между датчиком и входом системы сбора данных. Такое гласование импедансов обычно основано на использовании операционнЫ-усилителей (раздел 4.5).

4.3. Бинарные и цифровые датчики

В системах управления последовательностью событий (глава 7) в основном пр» меняются сигналы типа "включено/выключено", вырабатываемые бинарными Д чиками. В любом производственном процессе приходится контролировать тыся условий типа "включено/выключено".

Бинарные датчики используются для определения положения при механически перемещениях, для подсчета элементов в Дискретных потоках (например, числа 6 ть1к на выходе линии Ро-ива) для кон Р значенИ

т:;~:ф7о: только.

выключателя, так и очень сложными. Некоторые цифровые датчики в действитеЛ

И представляют собой полнофункциональный микрокомпьютер, встроенный автономное устройство и вырабатывающий либо сигналы типа "включено/выклю- " либо кодированные цифровые данные. Ниже описаны некоторые типы датчи-

чеко

ков с бинарным выходом

положения, пороговые и датчики уровня.

4 3 1- Датчики положения

В качестве датчиков положения (position sensor) в течение многих десятилетий используются выключатели. Они состоят из электрических контактов, которые механически размыкаются или замыкаются, когда какая-либо переменная (положение, уровень) достигает определенного значения. Концевые выключатели (limit switch) различных типов являются важной частью многих систем управления, надежность которых существенно зависит именно от них. Они располагаются там, где "происходит действие", и часто подвергаются большим механическим нагрузкам и токам.

На рис. 4.8 показаны нормально разомкнутый замыкающий выключатель {normally open, make-contact switch), нормально замкнутый размыкающий выключатель (normally closed, break-contact switch) и переключатель (change-over switch) в нормальном положении и при срабатывании. На схемах контакты выключателя обычно изображают в нормальном положении.

Рис. 4.8. Различные обозначения выключателей

Простейшим выключателем является механический нормально разомкнутый нариГд"*""" выключатель (Single-Pole Single-Throw - SPST), показанный "ого г Р°Сое согласование сигналов можно обеспечить с помощью нагрузоч-"Ряж резистора. Когда выключатель разомкнут, с резистора снимается на-

гичес"* +5 В, воспринимаемое ТТЛ-вентилем на входе компьютера как одно из ло-ких состояний. Если контакт замкнут, выходной сигнал равен потенциалу

зем.

. что воспринимается как другое логическое состояние, онта" механического выключателя обычно вызывает проблемы, поскольку (Рис 4 °"брируют ("дребезжат") несколько миллисекунд, прежде чем замкнуться "ого Когда важно зафиксировать только первое касание, как в случае конце-

кон-еля, принимать во внимание последующие замыкания и размыкания lUeft дребезжания нет необходимости. Применение цепи, обеспечиваю-

од "«большое запаздывание выходного сигнала, является одним из способов пре-ения эффекта дребезжания контактов.

О +5В

выходное напряжение Vq

однополюсный выключатель одинарного действия

замыкание выключателя

<5мс дребезжание

время

Рис. 4.9. Дребезжание контактов при замыкании выключателя

Однополюсный двухпозиционный выключатель (Single-Pole Double-Throw ~ SPDT) может быть типа "разрыв перед замыканием" (Break-Before-Make - BBM] или "замыкание перед разрывом" (Make-Before-Break - МВБ) (рис. 4.10). При пере ключении в первом случае оба контакта разомкнуты на короткое время, во втором-через оба контакта ток кратковременно протекает.

Бороться с дребезжанием контактов в переключателях SPDT можно с помощью специальных схем. Подвижный контакт должен быть заземлен; когда он касается контакта, присоединенного к источнику, напряжение последнего снижается. Подключенная электронная схема должна "уловить" логическое состояние, соответствующее первому касанию контактов, и игнорировать последующее дребезжание.

нормально

разомкнутый

выключатель

нормально

замкнутый

выключатель

нормально замкнутый выключатель

срабатывание

нормально

разомкнутый

выключатель

срабатьшание

Рис. 4.10. Переключатели с различными контактными системами: а - разрыв перед замыканием, б - замыкание перед разрывом

Существуют другие методы определения положения с помощью бинарных дат"" ков, некоторые из которых приведены ниже.

• Ртутные выключатели состоят из небольших герметически запаянных стек. ных трубок с контактными выводами. Трубка содержит достаточное количес ртути, чтобы замкнуть контакты. Выключатель размыкает и замыкает конта! при изменении положения (наклона) трубки.

• Магнитоуправляемое герметичное язычковое реле - геркон (reed sxmtch, relay) - состоит из двух плоских пружин, запаянных в небольшую стеклянй*

Свободные концы пружин находятся друг над другом с очень небольшим ом между ними. Когда к трубке приближается магнит, пружины намагничивайся в разных направлениях, притягиваются друг к другу и замыкаются, фотоэлектрические датчики выполнены из материалов, которые изменяют сопро-

* тивление или генерируют разность потенциалов под влиянием света. Во многих

пойствах достаточно бинарной индикации - есть свет или нет. Фотоэлектрический лучевой детектор состоит из источника светового луча и светочувствительного элемента. Существует много конструкций светодетекторов, которые отличаются в основном тем, отражается или прерывается световой луч фиксируемым объектом. Преимущества светодетекторов - простота, гибкость, низкая стоимость и главное, фиксация может выполняться без непосредственного физического контакта. На базе фотоэлектрических лучевых детекторов легко строятся измерители частоты вращения, счетчики, датчики положения и т. д.

• Ультразвуковые и микроволновые датчики используются для обнаружения объектов на расстояниях от нескольких сантиметров до нескольких метров. Эти датчики работают в режиме отражения (излучатель и приемник заключены в одном приборе) или на принципе прерывания луча (излучатель и приемник расположены в разных устройствах).

4.3.2. Пороговые датчики

Разные типы датчиков используются для определения момента, когда аналоговая величина (например, уровень, давление, температура или расход) достигает некоторого порогового значения. Поэтому их часто называют пороговыми датчиками (point sensors, limit sensors). Они обычно используются для подачи аварийного сигнала, а иногда и остановки процесса в случае достижения какой-либо величиной значения, указывающего на опасную ситуацию. Такие датчики должны быть устойчивыми и надежными.

4-3.3. Индикаторы уровня

Индикатор уровня (level switch) срабатывает, если резервуар заполнен до заданной 1С0ТЫ. Принцип работы зависит от свойств контролируемого вещества - жидкость, ентный раствор, гранулы или пыль. Индикатор может либо показывать текущий 0№нь, либо выдавать сигнал, когда уровень достигает заданного. УРовн"°° поверхности жидкости, при достижении определенного

Чате концевой выключатель. Герконы являются идеальными выклю-быть жидкой среды, поскольку они водонепроницаемы. На поплавке должен Цели ™"°в-н магнит, чтобы вызвать срабатывание контактов геркона. Для той же Чяю-г используются фотоэлектрические датчики. Для твердых материалов приме-Чя зап "костные датчики приближения (proximity sensors). По мере повышения уров-"я Во "" из пространства между стенкой сосуда и емкостным зондом вытесняет-*Но " °°У изменяется емкость образованного ими конденсатора, которую "Ия г° Р стандартными методами. Уровень можно измерить и датчиком давле-Haj[L°"""™ на дно сосуда, поскольку величина давления у дна прямо пропорцио-(Инд высоте столба вещества. В этом случае может вырабатываться как аналоговый ация текущего уровня), так и бинарный (достигнут пороговый уровень) сигнал.

4.3.4. Цифровые и информационно-цифровые датчики

Цифровые датчики генерируют дискретные выходные сигналы, пульсные последовательности или представленные в определенном данные, которые непосредственно могут быть считаны процессором, от типа датчика выходной сигнал либо сразу формируется в цифровом мер, от датчика положения вала), либо должен обрабатываться цепями логики, которые обычно составляют с ним одно целое. Измерительная рового датчика такая же, как и у аналогового. Существуют интегрирован вые датчики, которые включают микропроцессоры для выполнения числ разований и согласования сигнала и вырабатывают цифровой или выходной сигнал.

Если выходной сигнал датчика представляет собой последовательность то они обычно суммируются счетчиком. В другом варианте - можно изм вал между импульсами. Затем результат в виде цифрового слова переда нейшую обработку. При измерении энергии информация обычно кодиру сами ~ каждый импульс соответствует определенному количеству энер

Информационно-цифровые датчики (Fieldbus sensor) дополнительно ют передачу информации через шины локального управления (Field представляют собой специальный тип двухсторонних цифровых (глава 9). Датчики данного типа - это обычные датчики температуры, хода и т. д., которые дополнительно имеют микропроцессор для обрабо преобразования их в цифровой вид (например, в 12-разрядный код) внешних коммуникаций. По шине можно передавать не только резуль ний, но и идентификационную информацию датчика. Иногда такие дат живают режим удаленного тестирования и калибровки.

ктрон,: головка

овыхпщ

импульсе;

ерять интер ется кади ется импу.11. гии.

обеспечив bus), которк: коммуникаон; давления, рас тки данни и поддержЕ таты HSMCft чики поддег

Пример 4.1

4,4. Аналоговые датчики

Выходной сигнал датчика подается на вход обрабатывающего устройства, например на входной порт компьютера. Поскольку характеристики выходного сигнала датчика и последующего каскада довольно часто отличаются друг от друга, то для передачи сигнала между ними должна использоваться некоторая согласующая цепь. Термин "согласующая цепь" (conditioning circuitry) является довольно общим и может обозначать любой набор электронных компонентов между измерительной головкой датчика и обрабатывающим устройством. Нельзя точно определить границу между электроникой измерительного преобразователя и последующими согласующими цепями - каждый раз она может трактоваться по-своему.

Большинство датчиков с преобразователем, применяемых в системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Как правило, при управлении измеряются следующие физические величины:

- электрические и магнитные характеристики; чарамегры движения; ида, момент и давление; сМпература; уровень заполнения(

Датчики положения вала

Датчики положения вала или кодеры поворота (shaft encoders) - вые датчики для измерения угла поворота и угловой скорости. Они ются во всех системах, где нужна точная информация о параметрах ного движения, - например, станки, роботы, сервосистемы и элек Существуют датчики относительного (incremental) и абсолютного типов.

Датчик относительного типа состоит из светодетектора или датчика, например геркона, когорьш генерирует последовательност сов при вращении объекта; поворот на 360° соответствует одному импульсам. Затем последовательность импульсов обрабатывается зуется в угол поворота и угловую скорость объекта.

Датчик абсолютного типа выдает угол поворота объекта в дво Оптический датчик состоит из диска с прорезями и светонепро участками, причем каждая прорезь уникальна и соответствует он углу поворота. Источник света освещает одну сторону диска, а на роне блок датчиков фиксирует световой шаблон (т. е. через какие ппохппит. а через какие - нет), которому соответствует цифров

это цифр» применя-врашатель-тропривоД (absolute)

магнитного ъ импуь или боле збра-

ход;

емкости;

платность, вязкость и консистенция; - концентрация (газа, жидкости, растворенных и взвешенных вещест ), Химическая или биохимическая активность. « представлен краткий обзор аналоговых датчиков, обычно ;«мх управления. Измерение электрических величин - тока. и"Р««;« ГеГтГ™ магнитного поля, излучения и мощности - краеугольный камень из „задр"кь1х технологий. Для большинства типов i

и преоо

ичном коД нйцаемь»;

прорез"ue ое значе-"

головки, датчи ,4, ""«Редачи данных"

измерений серийно выпускаются -сующие цепи и даже интегриро-5выми преобразователями (раз-

положения, расстояния, степени приближения,

Ьость (

"ад угловую);

раз-

угла поворота. Кодирование обычно осущесг

ванного двоячного алгоритма, чтобы минии"" основе молиЛ„ логия обеспечивает высокие пязпр„г Диске Этл гтгл " Фо-дрорезейнаградусугловогосмееГТ -РелГсГГ .ке хорошую помехоустойчивость при перелачГ"°> « точность ! ет ана.того-цифрового преобразования "лов, поскольку Г

------ у требу-