1. 1. Что такое средства измерения.
  2.  2. Из чего состоят средства измерения.
  3. 3. Что такое межповерочный интервал.
  4. Какие виды погрешностей бывают.
  5. Виды сигналов используемых в КИП.

Страничка получилась очень длинная. Для более неспешного и комфортного изучения, можете в фоновом режиме прослушивать на «Яндекс музыке» песни в исполнении Дмитрия Хворостовского.

1. Что такое средства измерения.

Средства измерения — это устройства, которые преобразуют, какую либо физическую величину в понятные для человека цифровые показания. Есть, конечно, другие определения средства измерения. Но я постараюсь все объяснить простыми словами, без использования научных терминов.

2. Из чего состоят средства измерения

Состоят средства измерения из первичного измерительного элемента и преобразователя. Первичный элемент – устройство, преобразовывающее  физическую величину в электрический либо не электрический выходной сигнал. Электрический выходной сигнал имеют, например, термопары. Не электрический выходной сигнал имеют, например, диафрагмы, термометры, манометры. Термопары выдают сигнал в милливольтах. Диафрагмы выдают сигнал в виде разности давления до и после диафрагмы. Но оба эти элемента называются первичными преобразователями. Не электрический сигнал затем снова преобразовывается в электрический сигнал. Для дальнейшей обработки сигнала и передачи его на расстояние.

Первичным преобразователем может быть термопара, диафрагма, трубки «Бурдона»,  различные излучатели с приемниками ультразвукового , оптического, электромагнитного, радиационного сигнала. Первичным элементом может быть металлическая пластина меняющая частоту колебаний в зависимости от скорости потока жидкости. Для примера можно посмотреть фото.

Излучатель расходомера. Приемник выглядит аналогично
Расходомер, датчики давления и температуры
Ротаметр, манометр, термометр, анализатор точки росы

Множество разных устройств, придумано за много лет существования такой науки, как, Контрольно Измерительные Приборы (КИП).   Для каждой физической величины применяются различные виды преобразований. Все эти преобразования основаны на знаниях элементарной физики. Например, чем сильнее течет вода в трубе, тем быстрее будут вращаться установленные в трубе лопасти турбины.  Другоой пример, когда две одинаковые металлические пластины при их «склеивании» будут изгибаться. Т.к. при нагревании или охлаждении одна будет больше изменять свою длину, другая меньше. Нужно только эти неэлектрические параметры, преобразовать в любой сигнал, который бы могли видеть, в понятных нам единицах измерения. Способов для этого очень много. У каждого производителя прибора имеются для этого свои разработки. Общепринятыми сигналами первичных элементов являются первичные преобразователи температуры, это термопары и термосопротивления. Более подробно они будут описаны на отдельной странице. В основном же производители приборов используют свои разработки и сигнал от первичного преобразователя нам не известен.

Производители могут так же использовать в одном средстве измерения  несколько различных видов преобразования. Например, влагомеры сырой нефти. В первичном преобразователе используется одновременно используется емкостной принцип измерения и оптический принцип измерения.

Паспортные данные влагомера ВОЕСН с указаниями калибровочных значений емкостного канала и оптического канала.

Другие производители выпускают средства измерения с двойным преобразованием параметров среды, в первичный сигнал. Например, расходомеры Rosemount 3051.

Расходомер Rosemount 3051

Средство измерения одно, а используется преобразование скорости потока измеряемой среды в перепад давления до и после измерительного элемента. Затем этот перепад давления преобразовывается в электрический сигнал.

Вторичный прибор преобразовывает сигнал от первичного преобразователя в стандартный электрический сигнал. Во многих случаях, у  каждого средства измерения, имеющего первичный элемент, бывает только свой вторичный элемент. При работе с такими СИ всегда необходимо сверять соответствие первичного и вторичного элемента, паспорту на средства измерения. Вторичный преобразователь может быть так же в виде совмещенного с контролером устройства. Контроллер может принимать различные сигналы от первичных измерительных элементов, обрабатывать их сигналы программно, и производить вычисления одного параметра. Например, количество израсходованного тепла.

Вторичные приборы теплового узла учета

Первичные элементы при их производстве, могут иметь небольшие отклонения. Эти отклонения компенсируются при настройке вторичного преобразователя.

При работе с приборами, имеющими первичный измерительный элемент и вторичный преобразователь, обязательно необходимо прочитать меры предосторожности при работе с прибором. Многие производители не допускают отключения первичного преобразователя без снятия напряжения, с вторичного блока. Прибор может выйти из строя.

3. Что такое межповерочный интервал.

В зависимости от качества используемых  элементов, вида материалов, проведенных испытаний и условий эксплуатации производители гарантируют сохранение параметров прибора на определенный период времени. Этот период времени называется «межповерочный интервал». После истечения данного времени, необходимо проверить (поверить), соответствует ли средство измерения тем параметрам, которые указанны в паспорте. Межповерочный интервал обычно так же указывается в паспорте. Для одной модели прибора, может быть разный межповерочный интервал, в зависимости от года выпуска.

При поверке средства измерения, определяется величина изменения выходного сигнала СИ в определенной точке измерения. Например 0; 25; 50; 75 и 100 % от шкалы измерения. Измерения производятся как при повышении диапазона от 0 к 100%, так и при понижении диапазона от 100% к 0. Все измеренные значения сравниваются с паспортными данными. Отклонения значений измерения от паспортных данных называется погрешностью средства измерения. Для каждого прибора допускается своя погрешность. Как правильно провести измерения описывается в Методике Измерения (МИ) на данное средство измерения. Величина допускаемой погрешности указывается в паспорте на СИ и в документе называемом «Описание типа на средство измерения».

4. Какие виды погрешности прибора бывают.

4.1. Абсолютная погрешность

Абсолютная погрешность – это разница показаний между измеренным значением и паспортным значением. Абсолютная погрешность определяется в тех единицах, в которых отображаются показания прибора. Например, для преобразователей температуры это градусы Цельсия (Кельвина). Абсолютная погрешность прибора может быть разной для одного прибора. Например в диапазоне 0-300 градусов одно значение. В диапазоне 300-1000 градусов другое значение. Пример вычисления абсолютной погрешности. При заданной температуре 200 градусов Цельсия, прибор показывает 201 градус Цельсия. Разница между истинным значением и измеренным значением составляет 1 градус. Это и есть абсолютная погрешность.

4.2. Относительная погрешность

Относительная погрешность— измеряется в %. Для определения относительной погрешности необходимо определить абсолютную погрешность прибора. Затем полученную погрешность разделить на число, соответствующее заданному значению измеряемой среды. Полученное значение умножается на 100. Относительная погрешность вычисляется обычно для преобразователей расхода. Например, в специальном поверочном устройстве мы установили расход 200 метров кубических в час. Показания прибора 201 м3/ч. Абсолютная погрешность составит 1 м3/ч.  Полученное значение 1 делим на установленный нами расход 200.  Получим число 0,005. Останется, умножить это значение на 100%. Получим число 0,5 %. Это и будет относительная погрешность.

4.3. Приведенная погрешность

Приведенная погрешность измеряется так же как относительная погрешность в процентах. В данном случае это погрешность прибора относительно шкалы измерения. Для вычисления приведенной погрешности сначала так же определяем абсолютную погрешность. Затем полученное значение умножаем на предел измерения. И что бы получить % умножаем на 100. Приведенная погрешность обычно указывается для манометров. Рассмотрим пример. На вход манометра диапазоном измерения 0-200 кПа, поверочным устройством подаем 100 кПа.  На манометре  показания соответствуют  102 кПа. Абсолютная погрешность составит 2 кПа. Разделив 2 кПа на 200кПа, получим значение 0,01. Умножив это значение на 100% получим приведенную погрешность 1%.

4.4. Основная погрешность.

Основная погрешность. Все эти три погрешности относятся к основной погрешности. Определение относительной, приведенной и абсолютной погрешности производятся в лабораторных условиях, в  условиях среды, соответствующих требованиям методики поверки.

4.5. Другие виды погрешностей.

Другие виды погрешностей. Кроме основной погрешности при измерениях существует еще множество погрешностей. Все виды погрешностей описывать не буду. Только перечислю для примера , какие они еще бывают. Это дополнительная, систематическая, случайная, статистическая, динамическая, инструментальная и.т.д.

Средство измерения, у которого характеристики при проведении поверки не превышают допустимых значений, считается пригодным к дальнейшей эксплуатации. Для средства измерений, у которых погрешность превышает допустимые значения, производится настройка первичного либо вторичного преобразователя. Настройка может производиться как через программное обеспечение (изменением коэффициентов),  так и механическим способом. Например, вращением переменных потенциометров, изменением положения перемычек, шлифовкой диафрагмы.  Иногда конечно мы можем и не подозревать, что в данный момент, изменяются какие-то коэффициенты. Например, при подаче поверочного газа на переносной газоанализатор. Газоанализатор сам программно изменяет свои настройки. После автоматической настройки газоанализатор выдает нам сигнал об окончании настройки, и дату следующей поверки.

5. Виды сигналов используемых в КИП.

Немного ознакомившись со средствами измерения, мы уже понимаем, что показания некоторых СИ можем увидеть только «по месту». Только там где они смонтированы. Это, например термометры (ртутные, спиртовые, биметаллические), манометры, различные счетчики расхода и т.д. Но часть средств измерения формируют свой сигнал и передают по каналу измерения на щитовой прибор или на контроллер. Для того, что бы, не было различных видов сигнала у разных производителей, принято решение об использовании стандартных измерительных сигналов.

Выходные сигналы бывают:

  • 5.1Пневматические сигналы
  • 5.2 Электрические сигналы

5.1. Пневматические сигналы средств измерения с выходным сигналом 0,2-1,0 кг/см2.

Современные технологии требуют как можно более точных измерений технологических параметров. Чем больше точность приборов при измерениях, тем выше качество выпускаемой продукции и меньше потерь при коммерческих расчетах. Поэтому в современном мире, все меньше используются средства измерения с пневматическим сигналом. Но они все же производятся и используются. Например. Преобразователи разности давления ДМПК-100.

Фото нет но вы можете посмотреть его характеристики на сайте производителя. Выходной сигнал 0.2-1.0 кг/см2. Это и есть выходной пневматический сигнал. Предел приведенной погрешности 0,5-1 %. Эти приборы имеют большие габариты и большой вес, неудобны в обслуживании. Но на некоторых производствах они еще используются.

5.2. Электрические сигналы КИПиА.

Электрические сигналы КИПиА делятся на:

  • 5.2.1. Дискретные
  • 5.2.2. Аналоговые
  • 5.2.3. Цифровые
  • 5.2.4. Частотные

5.2.1 Дискретные электрические сигналы

Дискретные электрические сигналы бывают нормально замкнутыми -н.з и нормально разомкнутыми (нормально открытыми) -н.о. По сути это различные контактные устройства которые переключают контакты при превышении допустимого значения параметра. Выдают сигнал тревоги. Это могут быть элктроконтактные манометры, реле давления, сигнализаторы температуры, сигнализаторы расхода, бесконтактные  сигнализаторы  положения (магнитоконтактные, емкостные или индукционные) и т.д.

Но в современных технологиях используются дискретные датчики с очень сложными схемами управления, что просто представить как контакт реле нельзя. Рассмотрим в качестве примера вибрационный сигнализатор уровня “VEGASWING 61”

5.2.1.1. Настройка сигнализатора уровня.

Это достаточно сложное устройство и для его правильного подключения к вторичному прибору необходимо знать его принцип работы. У сигнализатора  много разных видов контактов и  переключателей. В электрических схемах проектной документации нарисован только нормально замкнутый или нормально разомкнутый контакт. Кроме того, имеется светодиодный индикатор, по которому мы сможем определять, есть жидкость между электродами или нет.

Рассмотрим варианты настроек. Для этого необходимо понимать, какое состояние технологической среды для сигнализатора уровня является нормальным — наличие жидкости или отсутствие жидкости. При установке сигнализатора на всасе насоса или на емкости в качестве сигнализатора нижнего уровня и т.д. Нормальное технологическое состояние будет — наличие жидкости между электродами сигнализатора. При этом, согласно схемы, он должен выдавать на вторичный прибор нормально разомкнутый сигнал. А светодиод должен гореть зеленым цветом (общепринятая световая сигнализация нормального режима работы). Согласно инструкции по эксплуатации сложно понять, как правильно выбрать  положение переключателя — А или В

Для выбора состояния сигнала светодиода подаем на сигнализатор уровня питание. Погружаем вилку сигнализатора уровня в воду. Переключателем режима работы устанавливаем зеленый цвет сигнала светодиода. При этом может произойти переключение выходного реле. Мультиметром определяем контакт, который в данном положении будет разомкнутым. После установки в технологический аппарат или трубопровод, подключаем к этим контактам сигнальные провода.

Почему необходимо обязательно выставлять зеленый цвет светодиода? Например. При нарушении технологического процесса, уровнемер может выйти за пределы измерения. При этом показания уровнемера могут показывать как 0% так и 100%. Зависит от настроек выходного сигнала уровнемера. Может случиться так, что уровнемер просто выйдет из строя. Разгерметизировать емкость, и определить наличие или отсутствие уровня бывает сложно. В этом случае можно будет открыть сигнализатор уровня, и определить его состояние. Светодиод зеленый – нормальное состояние. Светодиод красный – сигнализатор уровня сработал. Но так же по каким либо причинам не выдал сигнал в систему управления.

При установке сигнализатора уровня для сигнализации по максимальному значению уровня, переключатель режима работы переводим в положение А или В на «воздухе».  Должен гореть зеленый светодиод. Определяем мультиметром разомкнутый контакт. При погружении вилки сигнализатора в жидкость светодиод должен загореться красным цветом. Контакты должны замкнуться. Можно подключать сигнальные провода к выбранным контактам. 

5.2.2. Виды стандартных аналоговых сигналов.

5.2.2.1 Аналоговый сигнал 4-20 мА

Самым распространенным стандартным сигналом КИП является токовая петля 4-20 мА (миллиампер). Во всех учебниках, справочниках указывается сигнал 4-20 мА. Но не всем понятно, что это за сигнал. Правильное определение – это изменение тока в цепи от 4 до 20 мА в зависимости от изменения параметров измеряемой среды. По сути – это переменный резистор, встроенный в цепь измерения сигнала.

Электрическая схема аналогового сигнала с токовым выходом 4-20 мА

Теоретически возможно любой токовый датчик заменить переменным резистором (потенциометром) около 1кОм и выставить необходимый нам ток в цепи, изменяя сопротивление резистора.

Для проверки измерительного канала можно подключить переменный резистор

Дополнительное сопротивление лучше всего ставить на самом датчике. Будет проверяться вся цепочка токовой петли.

Данный метод я использовал для проверки цепи при пусконаладочных работах. Выставлял положение бегунка сопротивления в положение, при котором ток будет равным 12 мА. При этом показания на панели оператора были примерно 50% от шкалы прибора.

Чем удобен этот метод проверки работоспособности токовой петли. При пусконаладочных работах датчик еще не производит измерения технологического параметра. Давления в трубопроводах или емкостях нет. Расхода так же нет.  Датчики  выдают ток 4 мА (кроме датчиков температуры). Иногда ток в цепи может быть менее 4мА. Примерно 3,98….3.99 мА. В этом случае, на панели оператора будет отображаться как отсутствие сигнала с датчика.

При подключении сопротивления вместо датчика, на панели оператора будет отображаться значение равное ~ 50%. Проверяется работоспособность измерительного канала. Одновременно проверяется правильность вывода сигнала (в какое окошко на панели оператора выводиться параметр). Проверяется запись сигнала в истории. Проверяется, отображение сигнала в сохраненных в трендах.

Конечно же, можно для проверки датчика использовать различные калибраторы, которые будут выдавать более точно, необходимый ток. Но как обычно калибраторов при проведении пусконаладочных работ бывает мало. Проверить необходимо бывает работоспособность  большого количества датчиков.  Калибраторов на всех не хватает. При длительном использовании калибратора тока, быстро разряжаются аккумуляторные батареи. В спешке, можно повредить дорогостоящий калибратор. К тому же сопротивление с двумя проводами умещается в кармане.  

Почему ток выставлял 12мА, а показания прибора на шкале оператора определялись как 50% шкалы прибора. Расчет производится очень просто.

При токе в измерительной цепи 4 мА показания прибора будет 0 %. При токе 20мА показания будут соответствовать 100%. Диапазон изменения тока 20 минус 4 будет 16 мА. Половина сигнала датчика, будет составлять 16 / 2 будет 8 мА. Но так как измерение сигнала, начинается с 4 мА, к 8 мА прибавляем 4 мА. Получиться 12мА. Аналогично вычисляется ток для 25% и для 75% шкалы. В итоге получаем токи в цепи: 0% — 4 мА, 25% — 8мА, 50% -12 мА, 75% — 16 мА, 100% -20 мА.

В упрощенном виде я представил датчик с выходным сигналом 4-20 мА в виде переменного сопротивления. Но сам датчик очень сложное устройство, со своим программным обеспечением, системой регулирования выходного сигнала, системой компенсации различных погрешностей, системой защиты. И если вы захотите замерить какое выходное сопротивление у датчика с выходным сигналом 4-20мА, вы не сможете этого сделать. Сопротивление датчика будет показывать – бесконечность. Но вы всегда сможете измерить ток в цепи аналогового сигнала.

Схема измерения тока в кроссовом шкафу
Схема измерения тока в соединительной коробке.
Схема измерения тока непосредственно на датчике

5.2.2.2. Аналоговый сигнал 0 -20 мА

Разновидностью токового стандартного сигнала является сигнал 0-20 мА. Разница только в том, что при измерении параметра среды при 0% будет токовый сигнал равным 0 мА. При соответствии параметра измеряемой среды ток в цепи будет равен 20 мА. Соответственно при 25% — 5мА, 50% -10мА, 75% — 15мА.

Стандартный сигнал 0-20 мА на практике используется редко. Но возможность перехода измерения с сигнала 4-20 мА на сигнал 0-20 мА имеется во многих измерительных преобразователях. Так же в настройках измерительного канала контроллера. Иногда бывает, не совпадают показания  на контроллере и действительные значения параметра измеряемой среды. Например, на манометре, на трубопроводе показывает 1,2 мПа. А на мониторе оператора отображается 0,8 мПа. При этом ток в цепи примерно соответствует показаниям манометра. В этом случае становиться понятно, что в настройках канала измерения входной сигнал датчика указан как 0-20 мА. Необходимо будет перевести  измерительный канал в настройках на измерение 4-20 мА.

Казалось бы, что еще можно рассказать об аналоговом токовом сигнале? Вроде бы все понятно. Но не торопитесь. Есть еще некоторые подвохи в системах автоматизации с измерениями токового сигнала.

5.2.2.3. Активный аналоговый сигнал 4-20 мА

При проектировании не всегда есть возможность, определить какой именно прибор будет закуплен. Многие приборы требуют дополнительного подключения питания. Датчики с дополнительным питанием могут сами выдавать напряжение питания  в схему подключения. Такие датчики называются с «активным токовым выходом 4-20мА». Схема подключения такого прибора приведена ниже.

Схема подключения расходомера с активным токовым выходом

На схеме я не стал указывать вид используемого источника питания. На прибор может подаваться как напряжение постоянного тока 24В, так и переменного тока 220В. При этом питание на измерительный модуль аналогового входа контроллера подается от прибора. Для подключения прибора к контроллеру в данном случае необходимо использовать аналоговый  модуль контроллера с пассивным входом.

Как определить на приборе вид выходного аналогового сигнала 4-20мА? Единственный способ – замерить напряжение, предварительно отключив от клеммы один из проводов. Проверив напряжение с обеих сторон, можно определить вид датчика

Почему нельзя определить вид сигнала датчика по наличию каких то надписей на «шильдике» прибора, либо по электрической схеме подключения? Просто по тому, что один и тот же прибор может быть как с пассивным выходным сигналом, так и с активным выходным сигналом. Настройка прибора производиться программно, либо изменением положения перемычек в приборе.

Приборы с активным выходным сигналом в практике встречаются довольно редко. Но они применяются, и вы должны об этом помнить.

Еще существует одна разновидность токового сигнала 4-20мА.

Эта разновидность сигнала используется при измерении расхода. Обычно расход измеряется путем умножения площади поперечного сечения, на скорость потока проходящего через это сечение. Скорость потока вычисляется различными методами. А сечение всегда вычисляется по формуле S= ∏r².  Этот квадрат в формуле площади сечения, увеличивает объем проходящей жидкости  в квадратичной зависимости. Например: при изменении перепада давления в 2 раза, объем жидкости прошедшей через данное сечение увеличится в 4 раза. При изменении перепада давления в 3 раза, объем жидкости прошедшей через диафрагму увеличится в 9 раз.

Для большего понимания разницы между токовыми сигналами с пропорциональным выходным сигналом и квадратичным выходным сигналом приведу пример в виде рисунков. На рисунках приведены участки двух видов ленты от ленточных регистраторов.

Рисунок 1

На 1 рисунке видим, что лента разбита на равномерные участки.  Эти линии отображают шкалу прибора от 0 до 100%, с шагом 20%. Вид данной ленты используется для регистрации, например параметров давления.

Рисунок 2

На 2 рисунке, шкала на ленте расположена не равномерно. До 30% точность шкалы очень маленькая. Выше 30% точность измерения вырастает. Эта лента используется для регистрации параметров расхода.

Аналогично будет изменяться ток в цепи датчика давления и датчика расхода.

При измерении различных параметров может использоваться один и тот же прибор. Рассмотрим на примере этих же двух отрезков диаграммных лент.

Например, преобразователь перепада давления может быть использован для измерения перепада давления на фильтре измерительной линии.

Этот же преобразователь перепада  давления может быть использован для измерения перепада давления на диафрагме, при измерении расхода.

В обеих случаях выходной сигнал датчика будет 4-20 мА. Но зависимость измеряемого параметра от величины тока разная.

Снова рассмотрим на примере диаграммных лент.

На диаграммных лентах мы видим, что при одном и том же токе 12 мА будут разные значения перепада давления и расхода жидкости.

Как же вторичный прибор или контроллер должен «понимать», какое значение он должен показывать?

Для этого существует функция «извлечения корня». Данная функция включается в настройках измерительного канала на вторичном приборе. При выводе на контроллер в логической схеме канала добавляется модуль «извлечения корня».  На экране будут отображаться действительные значения расхода.

Функция «извлечение корня» может быть и в настройках расходомеров.В инструкции по эксплуатации обычно все подробно описывается.

Важно. При замене диафрагмы на расходомер,  с выходом 4-20 мА, функцию «извлечения корня» оставить только в одном месте. Либо на расходомере, либо на вторичном приборе.

5.2.2.4.Аналоговые сигналы КИПиА 1-5 В

При использовании контрольно измерительных приборов с выходным сигналом 1-5В напряжение на выходе датчика изменяется  – от 1 до 5 В, в зависимости от изменения параметров измеряемой среды. Датчики с таким выходным сигналом используются очень редко. Но возможно где то еще применяются.

Но это не говорит о том, что сам сигнал не используется в настоящее время. Достаточно много применяется в нефтехимии вторичных приборов с входным сигналом 1-5 В. С какими же приборами работают эти вторичные приборы, если не используются сами датчики?

Стандартный выходной сигнал 1- 5 В выделяем из токовой цепи 4-20 мА. Для этого последовательно включаем в токовую петлю прецизионный резистор  сопротивлением 250 ОМ. Прецизионный резистор – это резистор повышенной точности, который не меняет свои характеристики, как от внешних факторов, так и при нагреве самого резистора до определенной температуры. Не очень люблю вставлять различные формулы на страницах сайта, т. к. никого они не интересуют. Но в данном случае без простых формул не обойтись. На практике сталкивался со специалистами, проработавшими не один год в КИПиА, которые не могли это понять. Буду объяснять подробно.

Блок питания при составлении схемы подключения токового прибора 4-20 мА обычно используется с выходным напряжением 24 В. Т.е. если подать на вход блока питания 220В и замерить напряжение на выходе — будет 24В. Это напряжение называется напряжением «холостого хода». При подключении токовой петли, в которую входить так же датчик 4-20 мА, напряжение в цепи изменится. При измерении напряжения в кроссовом шкафу на клеммах цепи токового сигнала, его значение будет меньше. Величина напряжения зависит от вида датчика, длины кабеля и тока, который протекает в цепи в настоящий момент

Рассчитаем величину падения напряжения на концах сопротивления 250  Ом. Согласно, закона Ома, сила тока на участке цепи, прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна напряжению. При двух известных значениях – силы тока и сопротивления, вычисляем падение напряжения на сопротивлении 250 ОМ.

Формула расчета напряжения исходя из закона Ома — U= I х R. При токе:  20 мА – U =  250 Ом х  0,02А  (20 мА) =  5В. При токе:    4мА —   U = 250 Ом х 0.004 (4 мА) = 1В.

При  подключении вторичного прибора к концам сопротивления, получаем аналоговый сигнал с напряжением от 1 до 5 В. Этот сигнал будет находиться в пропорциональной зависимости от силы тока, протекающего в цепи.

При включенном в токовую цепь датчика 0 – 20 мА сопротивления 250 Ом, соответственно вы получаем аналоговый сигнал 0 – 5 В.

Думаю, что в этом месте уместно предложить решение простой шуточной задачи. «Какой величины ток в розетке?». Слышал много различных версий. Находятся обычно специалисты, которые  утверждают, что 16 А.  Другие 25 А. Особо принципиальные пытаются замерить «ток в розетке». Обычно заканчивается эта затея выходом из строя 2-3 мультиметров.

Для того, что бы никто из прочитавших эту страничку не «сжег» прибор, предлагаю подойти логически к этому вопросу. Просто вставим известные нам значения в формулу закона Ома. Предположим, что ток в розетке 10А. Напряжение  в розетке 220В. Вставляем эти данные в формулу.  10 = 220 : 0. На 0 делить нельзя. Поэтому и «ток в розетке» нельзя замерять. Это «Закон».. Не пытайтесь его опровергнуть.

Почему я сделал это отступление. Как я писал ранее, работа всех приборов, основана на законах элементарной физики. И что бы понять, почему некорректны показания прибора, надо понимать, на каком принципе основана работа прибора. И если прибор все время показывал правильно, а вдруг показания его изменились, надо подойти к этому вопросу логически.

Приведу очень простой пример. Перестала в столовой работать посудомоечная машина. Задымились электронагреватели, выбило автоматы. Много было предположений, что же произошло. При пробных пусках, электронагреватели включались без наличия воды в мойке. Сигнал на включение при отсутствии уровня воды в мойке, должен был отключаться при понижении уровня воды в мойке, ниже верхнего электрода. Но этот сигнал не отключался. Принцип действия сигнализатора уровня воды, был основан на электропроводности воды. Возникло предположение, что даже при отсутствии воды, между электродами  протекает ток. Мойка была промыта просто чистой водой. Все проблемы пропали. Оставалось выяснить, почему сохраняется электропроводность при сливе воды.  Оказалось, что просто сменили моющее средство. При сливе воды образовывалась электропроводная пленка, которая пропускала ток. Стали использовать «старое» моющее средство, посудомоечная машина стала работать нормально.

Вывод. Изменение физических свойств технологической среды, может привести к изменению показаний прибора. Это очень важно для влагомеров, вискозиметров и других аналитических приборов. Поэтому логическое мышление очень важно для специалиста по контрольно- измерительным приборам.

5.2.2.5. Схема подключения вторичного прибора 1- 5 В.

Для подключения сигнала 1-5 В на вход прибора необходимо подключить провода к клеммам, параллельно сопротивлению. Ниже представлю схему подключения двух щитовых приборов с входным сигналом 1- 5 В, в одну токовую петлю 4 – 20 мА.

Схема подключения дух вторичных приборов 1-5 В в токовую петлю 4 — 20 мА

На данной схеме я использую множество различных элементов схемы управления клапаном при регулировании температуры технологического процесса.

В качестве первичного измерительного преобразователя используется термопара. Это может быть как ХА (К) так и ХК L) термопара. Для подключения к вторичному преобразователю ИРТ-5920 используются кабель, соответствующий градуировке термопары.

Для соблюдения требований по обеспечению взрывобезопасности, подключение производим через искробезопасный барьер. В данном случае пассивный искробезопасный барьер  БИЗ-9712-2К.

После преобразования сигнала термопары на клеммах 1,2 ИРТ-5920 имеем выходной сигнал 4-20 мА. В качестве источника питания используем блок питания этого же измерителя-регулятора. Схема прохождения токового сигнала выделена красной линией.

На схеме имеются два вторичных прибора, с входными сигналами 1-5 В. Соответственно в токовой петле включены два сопротивления номиналом 250 Ом. 

Одно из сопротивлений 250 Ом было заказано в комплекте с регулятором Y-1000. Поэтому оно установлено прямо на клеммах регулятора.

Второе сопротивление 250 Ом просто включено в токовую петлю на клеммной колодке.

С выводов сопротивлений снимаются аналоговые сигналы 1 – 5 В для регулятора Y-1000 и регистратора LOGOSCREEN.

Сигнал 1-5 В в регулятрое Y-1000 используется для управления клапаном подачи топливного газа в печь нагрева.Сигнал 1-5 В в регистраторе используется для сохранения параметров температуры нагреваемой в печи среды.

Аналогичная схема снятия цифрового сигнала HART из токовой петли, используется при настройке приборов по HART – протоколу. Смотрите на странице «Настройка приборов программой PACTware».

Надеюсь все стало понятно об использовании в КИПиА, аналоговых сигналов 0-5 В и 1-5 В. Если кто может, что-то дополнить или добавить, напишите на странице «Комментарии к сайту Суперкип».

5.2.3.Цифровые сигналы, используемые в КИПиА.

Практически, все цифровые сигналы, которые существуют в цифровой системе передачи данных используются при построении схем передачи данных для контрольно-измерительных приборов. Цифровые сигналы служат для передачи данных от одного устройства на другое устройство на «языке» понятном для машины».  В КИПиА – это контроллер автоматизированной системы управления (АСУ ТП).

По видам передачи они разделяются на электрические, оптические и беспроводные.

По видам передачи информации разделяются на последовательный интерфейс и параллельный интерфейс.

В последовательном интерфейсе — используется лишь одна сигнальная линия, и информация (биты группы) передаются друг за другом по очереди;

При параллельном интерфейсе — для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени.

Видом последовательной передачи данных является RS-485.Этот вид связи используется для подключения вторичных приборов к системе управления так и при настройке приборов с помощью программного приложения. RS-485 – это канал связи. Канал состоит из двух приемопередатчиков, соединенных между собой при помощи двух скрученных между собой проводов (витой пары). Максимальная длина кабеля может быть  1200 м. Кому интересно, более подробно может прочитать статью « RS-485 для чайников»  Евгения Александровича Бень. Ссылки на статьи не ставлю, так как они постоянно меняются. Просто набирайте в поиске.

По данному каналу может передаваться информация в виде протоколов связи «HART» или «MODBUS». Для подключения при настройке прибора обычно используется различные преобразователи RS-485 / USB. Существует их много разных видов. Лично пользовался различными преобразователями. В том числе и купленными в магазине электроники платами преобразователей и припаянными самостоятельно к ней проводами. Работают без проблем.

Вид связи RS-422. Это аналог вида связи RS-485. В этом виде связи используются две витые пары. Одна для приема, другая для передачи. При подключении приборов используется достаточно редко. Но иногда встречается. Более подробно можно прочитать в той же статье « RS-485 для чайников».  

Вид связи RS-232 — Recommended Standard 232  . Проще, данный вид связи, можно представить как  интерфейс «COM-порта». RS-232 широко используется в системах автоматизации. Как работает система связи описывать нет необходимости. Много различных сайтов посвящены этой теме. Например автора Яшкардин В.Л. RS-232 «Промышленный стандарт асинхронной передачи данных».

Для подключения оборудования по RS-232 были разработаны 25-ти штырьковые разъемы DB25p согласно стандарта RS-232C и 9-ти штырьковые разъемы DE9p согласно стандарта TIA-574.

Вид разъемов на приборах
Ответный 9-ти штырьковый разъем
Ответный 25-ти штырьковый разъем
Переходное устройство с 9-ти штырькового разъема на 25-ти штырьковый

Эти разъёмы широко используются , при подключении оборудования в системе автоматизации.

Но на портативных компьютерах (ноутбуках, нетбуках, КПК и т. п.) разъёмы стандарта RS-232 используются все меньше. До недавнего времени эти разъёмы можно было увидеть на задней панели компьютера или ноутбука. В настоящее время такие разъемы встретит можно очень редко.  Подключение к персональным компьютерам оборудования работающего по RS-232 производится через преобразователи RS-232/ USB. Одним из видов такого преобразователя является HART-USB модем МЕТРАН-682. Как подключиться к оборудованию через модем, описано на странице «Настройка приборов программой PACTware»

Для аппаратной реализации СОМ портов по стандарту RS-232 используется специализированная микросхема UART – (Universal Asynchronous Transmitter Receiver ) универсальный асинхронный  приёмо-передатчик. Это устройство отправляет и получает данные из одной системы в другую. Эти данные передаются с определенной скоростью передачи.  110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с.

Большинство современных контрольно-измерительных приборов имеет цифровой канал. Цифровой канал одного и того же прибора, может быть использован как для передачи данных, так и для настройки прибора.    Пример этого, комбинирования аналоговой и цифровой токовой петли схемы 4 — 20 мА. Для этой токовой петли, применяется коммуникационный протокол HART. HART-протокол используется для интеллектуальных удаленных преобразователей, совместимых с аналоговой токовой петлей 4-20 мА. Цифровой обмен происходит по тем же проводам по которым передается сигнал с уровнем 4-20 мА от преобразователя. Один и тот же преобразователь может быть использован в системе управления как прибор с выходом 4-20 мА, так и прибор с HART-выходом. Как переключить прибор с выходом 4-20 мА на   HART-выход можно посмотреть на форуме.

Продолжение следует…