Аналоговые и цифровые датчики, что лучше?


Техническая литература

Авторы: О.В. Шубин, к.т.н., Н.Д. Кирпищиков

Аналоговые и цифровые датчики веса, что лучше для применения в
промышленных весах?

При проектировании промышленных весов важным является правильный выбор датчиков веса (ДВ) и весоизмерительного прибора (ВП), которые в большей степени соответствуют поставленной задаче.
Основные вопросы, возникающие при проектировании: 

  • Надежность,
  • Диагностика отказов,
  • Помехозащищенность,
  • Частотные свойства измерительного канала (количество измерений в секунду),
  • Максимально допустимая длина кабеля между ДВ и ВП,
  • Взаимозаменяемость элементов от разных производителей,
  • Синхронизация разделенных измерительных каналов (одновременность измерений),
  • Себестоимость (как правило интегральная - суммарные затраты как на изделие, так и затраты на его эксплуатацию).

Естественно, что специфика применения промышленных весов делает, что-то, из перечисленного более, а что-то менее важным.
Цель данной статьи проанализировать преимущества и недостатки весоизмерительных каналов использующих аналоговые и цифровые ДВ.

Аналоговые датчики

Тензометрический датчик с аналоговым выходом представляет собой металлическое тело с наклеенными тензорезисторами. Деформация тела, под действием силы тяготения, приводит к изменению сопротивлений R1, R2, R3, R4. Дисбаланс плечей моста изменяет выходное напряжение Uc, которое пропорционально деформации/нагрузке по приведенной ниже формуле на рис.1.

Питание датчика осуществляют либо постоянным, либо переменным напряжением. Уровень ошибок измерения при питании переменным током несколько ниже, чем при питании постоянным. Тем не менее, наибольшее распространение получило питание постоянным током, так как это проще и дешевле. Со временем это ситуация может измениться, так как развитие микроэлектроники делает недорогим и доступным применение специализированных микросхем, в том числе и аналогово-цифровых преобразователей с встроенными источниками переменного тока. В промышленных весах обычно применяют несколько датчиков (от трех и более). Если применяют аналоговые датчики, то сигналы датчиков суммируют в соединительном коробе (СК) . На рис.2 представлен пример подключения трех датчиков к ВП по 4-х проводной схеме.

Кроме   аналогового   суммирования   сигналов   используют   так   же мультиплексирование сигналов ДВ, при этом датчики веса подключаются к весоизмерительному  прибору  поочередно  через  мультиплексор.  Это обеспечивает   определенное   удобство   в   настройке,   калибровке, диагностировании загрузки каждого датчика,  но при этом нарушается одновременность измерений,  что не всегда приемлемо при измерении быстро изменяющихся нагрузках (например, дозирование или взвешивание
в движении).

Допустимое количество,  подключаемых к прибору датчиков зависит от суммарного сопротивления, подключенных к СК датчиков и нагрузочными характеристиками прибора. Например,  если  к  прибору  можно  подключать  до  8  датчиков  с сопротивлением  350  Ом,  то  минимально  допустимое  сопротивление нагрузки на ВП составляет 350/8 = 43,75 Ом.  Если к этому же ВП подключаются 7 00 Ом датчики, то их количество не должно превышать 16, если 1000 Ом, то 22 и т.д. Обычно, этого количества вполне достаточно
при построении любых промышленных весов.

Максимально допустимая длина кабеля от СК до ВП зависит от его сечения. При сечения проводника 2 мм2 длина кабеля между СК и ВП может быть до 1000 м.

При длине кабеля между СК и ВП свыше 30 м рекомендуется применять 6-ти проводную схему подключения,   для компенсации падения напряжения на соединительном кабеле.

Суммарный или мультиплексированный сигнал обрабатывается в ВП по
схеме представленной на рис.3.

Цифровые датчики

Тензометрический датчик с цифровым выходом это аналоговый датчик в корпус которого,  кроме тензорезисторов помещена электронная схема усиления, фильтрации и оцифровки аналогового сигнала с последующей его передачей на принимающее устройство (см. Рис.3).

Передача  цифрового   сигнала  производится   по   последовательному интерфейсу,  обычно на физическом уровне это RS-4 85  (витая пара).

Часто применяют контроллеры шины передачи данных по протоколу CAN, ProfiBUS, BitBUS и прочее.

Основные преимущества цифровых датчиков - прямое диагностирование и упрощение процедуры калибровки.

Цифровые датчики подключаются к общей шине весового индикатора, который является «мастером шины» и устройством визуализации результатов измерения. Количество цифровых датчиков подключенных к одному мастеру не может превышать его адресного пространства.

Длина кабеля от СК до индикатора зависит от скорости передачи данных по шине. При скорости передачи в 300 Кбит/сек, длина кабеля не должна превышать 300 м.

С учетом реальных ограничений на скорость передачи данных по шине,скорость АЦП не может превышать 2 0 Гц, что бывает недостаточно при измерении быстро меняющихся нагрузок.  Это ограничивает применение цифровых датчиков в устройствах дозирования и в весах для взвешивания в движении.

Отдельной проблемой применения цифровых датчиков является проблема одновременности измерения нагрузок на ДВ (синхронизация). Применяемые механизмы  синхронизации  еще  более  ухудшают  частотные  свойства измерительного канала.

Рекламируемая  в  проспектах  производителей цифровых  датчиков  веса высокая помехозащищенность, не столь хороша. Помеха ухудшает работу шины,  так как приводит к потере посылаемых устройствами «пакетов информации», повторный запрос и посылка занимают определенное время и могут привести к сбою механизма синхронизации.

Поэтому рекомендуется использовать цифровые датчики в весах для статического взвешивания, или при измерении медленно меняющихся нагрузок.

Таблица сравнения аналоговых и цифровых датчиков веса.

 

Таблица сравнения аналоговых и цифровых датчиков веса.
Параметр Аналоговый датчик Цифровой датчик
Надежность Зависит от класса промышленной защиты ДВ. Надежность сопоставима с надежностью цифровых ДВ, но несколько выше. Зависит от класса промышленной защиты ДВ. Надежность
сопоставима с надежностью аналоговых ДВ, но ниже, из-за дополнительного электронного блока.
Диагностика каждого ДВ Диагностика возможна
при мультиплексировании
сигналов ДВ.
Естественный механизм диагностики ДВ
Помехозащищенность Сопоставима с цифровыми ДВ при использовании экранированного кабеля Сопоставима с аналоговыми ДВ
Максимальная длина кабеля мд ДВ и ВП До 1000 м До 300 м
Реальная частота оцифровки сигнала До 1000 Гц До 2 0 Гц
Взаимозаменяемость ВП и ДВ разных производителей Высокая. Стандартизованные ВП и ДВ разныхпроизводителей. Отсутствует. Замена на другого производителя невозможна.
Синхронизация сигналов ДВ Естественная синхронизация Низкая. При помехах возможно нарушение синхронизации.
Стоимость Низкая Высокая

Вывод: Цифровые ДВ целесообразно использовать для статических весов. Аналоговые ДВ ограничений по использованию не имеют.