4.3 Бинарные и цифровые датчики

В системах управления последовательностью событий в основном при­меняются сигналы типа "включено/выключено", вырабатываемые бинарными дат­чиками. В любом производственном процессе приходится контролировать тысячи условий типа "включено/выключено".

Бинарные датчики используются для определения положения при механических перемещениях, для подсчета элементов в дискретных потоках (например, числа бу­тылок на выходе линии разлива), для контроля достижения предельных значений уровня или давления или крайних положений подвижных частей.

Бинарные и цифровые датчики бывают как простыми, состоящими только из выключателя, так и очень сложными. Некоторые цифровые датчики в действительности представляют собой полнофункциональный микрокомпьютер, встроенный в автономное устройство и вырабатывающий либо сигналы типа "включено/выклю­чено", либо кодированные цифровые данные. Ниже описаны некоторые типы датчи­ков 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. 4.12 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.

Простейшим выключателем является механический нормально разомкнутый однополюсный выключатель (Single-Pole Single-Throw — SPST), показанный на рис. 4.13 а. Простое согласование сигналов можно обеспечить с помощью нагрузоч­ного (pull-up) резистора. Когда выключатель разомкнут, с резистора снимается на­пряжение +5 В, воспринимаемое ТТЛ-вентилем на входе компьютера как одно из логических состояний.

Рисунок 4.12 - Различные обозначения выключателей

Если контакт замкнут, выходной сигнал равен потенциалу "земли", что воспринимается как другое логическое состояние.

Замыкание механического выключателя обычно вызывает проблемы, поскольку контакты вибрируют ("дребезжат") несколько миллисекунд, прежде чем замкнуться (рис. 4.13, б). Когда важно зафиксировать только первое касание, как в случае концевого выключателя, принимать во внимание последующие замыкания и размыкания контактов из-за дребезжания нет необходимости. Применение цепи, обеспечивающей небольшое запаздывание выходного сигнала, является одним из способов преодоления эффекта дребезжания контактов.

Рисунок 4.13 - Дребезжание контактов при замыкании выключателя

Однополюсный двухпозиционный выключатель (Single-Pole Double-Throw ~ SPDT) может быть типа "разрыв перед замыканием" (Break-Be fore-Make — BBM) или "замыкание перед разрывом" (Make-Before-Break — МВВ) (рис. 4.14). При пере­ключении 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.

Рисунок 4.14. Переключатели с различными контактными системами:

а — разрыв перед замыканием, б — замыкание перед разрывом

Существуют другие методы определения положения с помощью бинарных датчи­ков, некоторые из которых приведены ниже.

• ртутные выключатели состоят из небольших герметически запаянных стеклян­ных трубок с контактными выводами. Трубка содержит достаточное количество ртути, чтобы замкнуть контакты. Выключатель размыкает и замыкает контакты при изменении положения (наклона) трубки;

• магнитоуправляемое герметичное язычковое реле — геркон (reed switch, reed relay) — состоит из двух плоских пружин, запаянных в небольшую стеклянную трубку. Свободные концы пружин находятся друг над другом с очень небольшим зазором между ними. Когда к трубке приближается магнит, пружины намагничива­ются в разных направлениях, притягиваются друг к другу и замыкаются, фотоэлектрические датчики выполнены из материалов, которые изменяют сопро­тивление или генерируют разность потенциалов под влиянием света.

Во многих устройствах 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 высоты. Принцип работы зависит от свойств контролируемого вещества — жидкость, цементный раствор, гранулы или пыль. Индикатор может либо показывать текущий уровень, либо выдавать сигнал, когда уровень достигает заданного.

Поплавок, находящийся на поверхности жидкости, при достижении определенного уровня действует как концевой выключатель. Герконы являются идеальными выклю­чателями для жидкой среды, поскольку они водонепроницаемы. На поплавке должен быть установлен магнит, чтобы вызвать срабатывание контактов геркона. Для той же цели часто используются фотоэлектрические датчики. Для твердых материалов приме­няются емкостные датчики приближения (proximity sensors). По мере повышения уров­ня заполнителя из пространства между стенкой сосуда и емкостным зондом вытесняет­ся воздух, и поэтому изменяется емкость образованного ими конденсатора, которую Можно измерить стандартными методами. Уровень можно измерить и датчиком давле­ния, помещенным на дно сосуда, поскольку величина давления у дна прямо пропорцио­нальна высоте столба вещества. В этом случае может вырабатываться как аналоговый (индикация текущего уровня), так и бинарный (достигнут пороговый уровень) сигнал.

4.3.4. Цифровые и информационно-цифровые датчики

Цифровые датчики генерируют дискретные выходные сигналы, например им­пульсные последовательности или представленные в определенном коде цифровые данные, которые непосредственно могут быть считаны контроллером или ЭВМ. В зависимости от типа датчика выходной сигнал либо сразу формируется в цифровом виде (напри­мер, от датчика положения вала), либо должен обрабатываться цепями электронной логики, которые обычно составляют с ним одно целое. Измерительная головка циф­рового датчика такая же, как и у аналогового. Существуют интегрированные цифро­вые датчики, которые включают микропроцессоры для выполнения числовых преоб­разований и согласования сигнала и вырабатывают цифровой или аналоговый выходной сигнал.

Если выходной сигнал датчика представляет собой последовательность импульсов, то они обычно суммируются счетчиком. В другом варианте — можно измерять интер­вал между импульсами. Затем результат в виде цифрового слова передается на даль­нейшую обработку. При измерении энергии информация обычно кодируется импуль­сами — каждый импульс соответствует определенному количеству энергии.

Информационно-цифровые датчики (Field bus sensor) дополнительно обеспечива­ют передачу информации через шины локального управления (Field bus), которые представляют собой специальный тип двухсторонних цифровых коммуникаций. Датчики данного типа — это обычные датчики температуры, давления, рас­хода и т. д., которые дополнительно имеют микропроцессор для обработки данных, преобразования их в цифровой вид (например, в 12-разрядный код) и поддержки внешних коммуникаций. По шине можно передавать не только результаты измере­ний, но и идентификационную информацию датчика. Иногда такие датчики поддер­живают режим удаленного тестирования и калибровки.

Пример: датчики положения вала. Датчики положения вала или кодеры поворота (shaft encoders) — это цифро­вые датчики для измерения угла поворота и угловой скорости. Они применя­ются во всех системах, где нужна точная информация о параметрах вращатель­ного движения, — например, станки, роботы, сервосистемы и электропривод. Существуют датчики относительного (incremental) и абсолютного (absolute) типов.

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

Датчик абсолютного типа выдает угол поворота объекта в двоичном коде. Оптический датчик состоит из диска с прорезями и светонепроницаемыми участками, причем каждая прорезь уникальна и соответствует определенному углу поворота. Источник света освещает одну сторону диска, а на другой сто­роне блок датчиков фиксирует световой шаблон (т. е. через какие прорези свет проходит, а через какие — нет), которому соответствует цифровое значение угла поворота. Кодирование обычно осуществляется на основе модифициро­ванного двоичного алгоритма, чтобы минимизировать ошибки смещения фо­тоэлектрических датчиков относительно прорезей в диске. Эта простая техно­логия обеспечивает высокие разрешение (которое определяется числом прорезей на градус углового смещения или на оборот диска) и точность, а так­же хорошую помехоустойчивость при передаче сигналов, поскольку не требу­ет аналого-цифрового преобразования.