Практические схемы включения датчиков
Данная статья – вторая часть статьи про разновидности и принципы работы датчиков. Кто не читал – рекомендую, там очень много тонкостей разложено по полочкам.
Здесь же я отдельно вынес такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании – повсеместно. Кроме того, приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.
Принцип активации (работы) датчиков при этом может быть любым – индуктивные (приближения), оптические (фотоэлектрические), и т.д.
В первой части были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным и с подключением к контроллеру не всё так просто.
Рекомендую тем, кто интересуется, также мою статью про параллельное подключение транзисторных выходов.
Схемы подключения датчиков PNP и NPN
Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.
Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.
PNP выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” (+V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)
NPN выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” (+V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.
Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.
На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.
Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков
На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN. Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.
Справа – случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.
Как проверить индуктивный датчик?
Для этого нужно подать на него питание, то есть подключить его в схему. Затем – активировать (инициировать) его. При активации будет загораться индикатор. Но индикация не гарантирует правильной работы индуктивного датчика. Нужно подключить нагрузку, и измерить напряжение на ней, чтобы быть уверенным на 100%.
Замена датчиков
Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.
Это реализуется такими способами:
- Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
- Изменение имеющейся схемы включения датчика.
- Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
- Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.
Ниже приведён пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения:
PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.
Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).
Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.
Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.
Если внутренней нагрузки в датчике нет, и коллектор “висит в воздухе”, то это называют “схема с открытым коллектором”. Эта схема работает ТОЛЬКО с подключенной нагрузкой.
Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?
Бывают ситуации, когда нужного датчика нет под рукой, а станок должен работать “прям щас”.
Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.
В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.
Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.
Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.
Условное обозначение датчика приближения
На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают по разному. Но главное – присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.
НО НЗ датчики. Принципиальные схемы.
На верхней схеме – нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема – нормально закрытый, и третья схема – оба контакта в одном корпусе.
Цветовая маркировка выводов датчиков
Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.
Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.
- Синий (Blue) – Минус питания
- Коричневый (Brown) – Плюс
- Чёрный (Black) – Выход
- Белый (White) – второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.
Система обозначений индуктивных датчиков
Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics.
Система обозначений датчиков Autonics
Скачать инструкции и руководства на некоторые типы индуктивных датчиков:
• Autonics_proximity_sensor / Каталог датчиков приближения Autonics, pdf, 1.73 MB, скачан: 1807 раз./
• Omron_E2A / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан: 2357 раз./
• ТЕКО_Таблица взаимозаменяемости выключателей зарубежных производителей / Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан: 1812 раз./
• Turck_InduktivSens / Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан: 2337 раз./
• pnp npn / Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан: 3685 раз./
Скачать книгу про датчики
Реальные датчики
Датчики купить проблематично, товар специфический, и в магазинах электрики такие не продают. Как вариант, их можно купить в Китае, на АлиЭкспрессе.
А вот какие оптические датчики я встречаю в своей работе.
Всем спасибо за внимание, жду вопросов по подключению датчиков в комментариях!
Источник
Активные датчики с выходными ключами n p n типа
Добро пожаловать!
Теперь вы можете поделиться своей работой!
Просто нажмите на значок
ФЭА / АИТ / Курсовая работа по ТСА «Сигнализатор уровня САУ-М7Е»
Резервуары представляют собой весьма многочисленную группу технологических объектов, которые являются принадлежностью нефтяных промыслов, резервуарных парков, раздаточных и перевалочных баз разветвленной системы нефтехимических и химических предприятии. Во всех случаях в резервуарных парках выполняются дне основные задачи — учет и храпение жидкости.
Учет нефти и нефтепродуктов представляет собою измерение их количества. Измерение количества в резервуарах может быть выполнено двумя способами: 1) измерением уровня нефти и нефтепродуктов и удельного веса с последующим вычислением общего веса и 2) непосредственным измерением весового количества жидкости.
На нефтяных промыслах, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах ряд технологических процессов связан с отстоем жидкости в емкостях открытого и закрытого (герметичного) типа. Контроль хода технологического процесса в этих емкостях предполагает необходимость измерения уровня жидкости и уровня раздела фаз.
Измерение уровня жидкости в резервуарах и емкостях — наиболее массовая и трудоемкая операция. Для измерения уровня в РФ и за рубежом было предложено большое количество приборов, различающихся по принципу действия и конструктивному исполнению. Чтобы знать и уметь выбрать приборы для практических целей измерения, целесообразно их классифицировать по следующим признакам.
По назначению приборы можно разделить на три большие группы: 1) сигнализаторы, контролирующие предельные значения уровня; 2) уровнемеры, непрерывно измеряющие значение уровня, и 3) измерители раздела двух сред.
2. Теоретическая часть.
Прибор САУ-М7Е предназначен для создания систем автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и поддержанием заданного уровня жидких или сыпучих веществ в различного рода резервуарах, емкостях, контейнерах и т.п.
Контроль уровня осуществляется при помощи трех, подключаемых к входам прибора, датчиков, которые устанавливаются пользователем в резервуаре на заданных условиями технологического процесса отметках: нижней, промежуточной и верхней. Для визуального контроля уровня в резервуаре на лицевой панели прибора предусмотрены три светодиодных индикатора, засветка каждого из которых осуществляется при срабатывании соответствующего датчика.
В качестве входных датчиков могут быть применены:
— кондуктометрические (контролирующие степень электропроводности среды) зонды;
— активные датчики с выходными ключами N-Р-N -типа;
— механические контактные устройства.
Тип применяемых датчиков определяется пользователем, исходя из физико-химических свойств контролируемого рабочего вещества.
Для управления технологическим оборудованием прибор оснащен двумя встроенными электромагнитными реле. Одно из реле предназначено для управления электроприводом исполнительного механизма (электрического насоса, электромагнитного клапана и т.п.), выполняющего в системе функции регулятора по поддержанию заданного уровня. Работа этого реле может осуществляться как в автоматическом режиме (по сигналам датчиков нижнего и промежуточного уровней), так и по командам оператора (от встроенных кнопок ручного управления). Алгоритм работы реле в автоматическом режиме задается пользователем, исходя из способа, которым регулятор должен осуществлять поддержание уровня: заполнение резервуара или его опорожнение.
Другое реле предназначено для формирования аварийного сигнала при достижении рабочим веществом предельного верхнего уровня.
— закрытые взрывобезопасные помещения без агрессивных паров и газов;
— температура окружающего воздуха от + 5˚С до + 50˚С;
— верхний предел относительной влажности воздуха — 80% при 35˚С и более низких температурах без конденсации влаги;
— атмосферное давление от 86 до 106,7 кПа.
Основные технические характеристики прибора САУ-М7Е:
Номинальное напряжение питания прибора
Допустимые отклонения напряжения питания от номинального значения
Потребляемая мощность, не более
Количество каналов контроля уровня
Напряжение источника питания активных датчиков уровня
Допустимая нагрузка на контакты реле (при напряжении 220Висо51р > 0,4)
2.2 Устройство и работа прибора.
Функциональная схема прибора САУ-М7Е представлена на рис. 1.
-входные устройства ОУ1. ОУ3, предназначенные для обработки сигналов датчиков уровня;
— блок логики, предназначенный для формирования сигналов управления
— выходные электромагнитные реле ВЕРХ и РАБОТА, предназначенные для управления исполнительными механизмами;
— светодиодные индикаторы, служащие для отображения информации о состоянии датчиков, выходных реле и режимах работы прибора;
— блок питания, служащий для обеспечения схемы стабилизированным напряжением 12В постоянного тока;
— К1, К4 — коммутаторы электрических сигналов.
Контроль уровня осуществляется при помощи трех датчиков, которые устанавливаются пользователем в резервуаре на заданных по условиям технологического процесса отметках: нижней, промежуточной, верхней и подключаются соответственно к сигнальным входам прибора Вх.1, Вх.2, Вх3.
В качестве датчиков уровня могут быть использованы:
— активные датчики с выходными ключами N-P-N типа;
— механические контактные устройства.
Кондуктометрические зонды применяются для контроля уровня жидкостей обладающих свойствами электрической проводимости. К таким жидкостям относятся растворы кислот и щелочей, расплавленные металлы, вода и водные растворы солей, пищевые продукты, молоко и т.п. Кондуктометрические зонды в простейшем случае представляют собой изолированные друг от друга металлические электроды, выполненные из не коррозирующего материала. Один из электродов является общим для всей схемы контроля. Он устанавливается в резервуаре так, чтобы рабочая часть электрода находилась в постоянном контакте с жидкостью во всем диапазоне контроля (от нижнего уровня до верхнего включительно). Подключается этот электрод к контакту прибора «общий».
Примечание. При контроле уровня в металлическом резервуаре его корпус может быть использован в качестве общего электрода.
Остальные электроды являются сигнальными. Они располагаются на соответствующих своему назначению уровнях и подключаются к сигнальным входам Вх.1, Вх.2, Вх.3 прибора.
Примеры установки кондуктометрических зондов на объектах представлены на рис.2.
По мере заполнения резервуара при соприкосновении электродов с жидкостью происходит замыкание (через сопротивление жидкости) электрических цепей между общим и соответствующими сигнальными входами прибора, фиксируемое входными устройствами как достижение заданных уровней.
ВНИМАНИЕ! Кондуктометрический способ контроля может оказаться неэффективным, если жидкость содержит в себе суспензии или эмульсию, которые при эксплуатации могут привести к изоляции электродов датчиков.
В ряде случаев для контроля уровня могут быть использованы активные датчики (емкостные, индуктивные, оптические и т.п.) с выходными ключами N-P-N типа.
Датчики этого типа преобразуют происходящие под влиянием внешних факторов изменения соответствующих входных параметров(индуктивности емкости и т.п.) в скачкообразное изменение проводимости их выходных транзисторных ключей.
Для нормальной работы прибора САУ-М7Е выходные ключи датчиков должны (при достижении веществом контролируемого уровня) переключаться из закрытого состояния в открытое.
Этому требованию удовлетворяют, например, бесконтактные емкостные выключатели ЕДП-18М-NS-Р-ЕО (или ЕДП-ЗОМ-NS-Р-ЕО) которые могут быть использованы для контроля уровня, различных веществ, в том числе диэлектрических жидкостей, а также порошкообразных или сыпучих материалов.
Срабатывание этих устройств происходит из-за изменения их входной электрической емкости при появлении в активной области датчика контролируемого вещества. При срабатывании датчика (через его выходной ключ) происходит замыкание электрической цепи между соответствующим сигнальным входом прибора и общей точкой схемы (минус 12В), что и фиксируется, как достижение заданного уровня.
При использовании емкостных выключателей следует иметь в виду, что в соответствии с технической документацией на эти устройства, расстояние срабатывания от активной зоны датчика до контролируемого объекта определяется:
для металлов – в основном расстоянием до плоскости металла;
для диэлектриков — величиной диэлектрической постоянной вещества ε и его толщиной (при увеличении ε — расстояние срабатывания возрастает). Это обстоятельство позволяет контролировать наличие жидких и сыпучих продуктов в зоне действия датчика без прямого контакта с ними — через диэлектрическую стенку, что особенно важно при работе с агрессивными веществами.
Питание активных датчиков осуществляется от встроенного в прибор источника постоянного тока напряжением 12 В или от внешнего блока питания.
К прибору также могут быть подключены датчики, выходным сигналом которых при достижении заданного уровня является замыкание механических контактов. При срабатывании датчика (через его выходные контакты) происходит замыкание электрической цепи между общей точкой схемы и соответствующим сигнальным входом, что и фиксируется прибором как достижение заданного уровня.
Такие датчики могут применяться в устройствах поплавкового типа для контроля уровня различных по физико-химическому составу жидкостей.
Для обработки сигналов датчиков в схеме предусмотрены три входных пороговых устройства (компаратора), выполненные на операционных усилителях ОУ1.. .ОУЗ. Каждый из компараторов сравнивает напряжение сигнала поступающего на его вход (Uвх.) с напряжением опорного источника (Uопор.) и при выполнении условия Uвх + (Uнас — ) при весьма незначительной разности Uоп и uх.
Статическая характеристика компаратора uвых = f(t) (рис.5, б), данная пунктиром, соответствует идеальному компаратору (считается, что переключение uвых происходит мгновенно в момент равенства uх и Uоп), а сплошная линия — реальному компаратору: переключение начинается с некоторым запаздыванием относительно t1 и t2 и длится определенное время. Заметим, что если в схеме (рис.5, а) Uоп = 0, то компаратор переключается при uх » 0 и называется детектором нулевого уровня. Соответственно схему (рис.5, а) при Uоп # 0 называют детектором ненулевого уровня.
Для получения на выходе компаратора цифровых уровней (соответствующих логической 1 и логическому 0) в схеме рис. 2.16, а введен ограничитель, состоящий из диодов VD1, VD2 и резистора R.
Напряжение на открытом диоде порядка 0,7 В. Поэтому напряжение на выходе (рис.6, б) при данных, указанных на рис.6, а, не может быть выше 3,7 В (когда uвых > 0 и открыт диод VD1) и ниже – 0,7 В (когда uвых (+) = 0.
Если R1 = R2, то U (–) = 0 при равенстве абсолютных значений uх и Uоп. В тот момент, когда они сравняются, U (–) станет равным U (+) и идеальный компаратор переключится из одного состояния в другое (рис.7, б).
Приведенные схемы отличаются низкой помехозащищенностью: компаратор может переключаться под влиянием помехи, которая накладывается на полезный сигнал.
Это ложное срабатывание особенно возможно при малой скорости изменения сигнала, когда результирующее напряжение (сигнал + помеха) успевает несколько раз пересечь уровень Uоп в то время как сигнал uх еще мало от него отличается.
Указанный недостаток устраняется в так называемом регенеративном компараторе (рис.8, а), в котором резисторами R4, R2 введена положительная обратная связь. В данном случае напряжение U (+) равно сумме напряжений Uоп и напряжения обратной связи, выделяющегося на резисторе R2.
До поступления uх напряжение uвых за счет Uоп равно Uнас (+) . Поэтому переключение компаратора может наступить только тогда, когда uх превысит Ucр. При этом напряжение на выходе изменится от уровня логической 1 до уровня логического 0 (рис.8, б). Теперь u’вых = Uнас (–) и переключение компаратора может осуществиться, когда uх будет ниже Uотп. При этом напряжение на выходе изменится от уровня логического 0 до уровня логической 1. Если амплитуда помехи меньше разности Uср – Uотп , то ложного срабатывания происходить не будет.
Чтобы гистерезисная кривая была симметрична относительно опорного напряжения Uоп, верхний и нижний пороги выходного напряжения должны быть одинаковы по значению. Поэтому в схеме рис.8, а цепь положительной обратной связи подключается к выходу ИМС ОУ до узла, ограничивающего uвых на уровнях U 1 вых и U 0 вых т. е. к напряжениям Uнас (+) или Uнас (–) , абсолютные значения которых принимаются равными.
Отметим, что положительная обратная связь повышает скорость переключения компаратора. Действительно, если uвых, к примеру, уменьшается, то уменьшается и напряжение на входе (+), что приводит к дополнительному уменьшению uвых. Наряду с этим точность сравнения входных напряжений уменьшается: компаратор переключается при Uср не равно Uon и Uотп не равно Uon.
Расчет маломощных трансформаторов напряжения
5.3 Расчёт блока питания
Блок питания состоит из силового трансформатора, выпрямителя со сглаживающим фильтром и стабилизатора. Так как ОУ малочувствителен к изменению напряжения питания, что показал предыдущий расчёт, то стабилизатор можно было бы и не ставить. Однако, для освоения методики расчёта стабилизированных источников питания введём в схему блока питания простейший параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне. Расчёт блока питания ведётся «от конца к началу», то есть сначала рассчитывается стабилизатор, обеспечивающий требуемое напряжение Uн на нагрузке и её ток Iн, затем выпрямитель со сглаживающим фильтром, обеспечивающим требуемые параметры, включая и коэффициент пульсаций p0%. На последнем этапе рассчитываются параметры силового трансформатора, необходимого для питания выпрямителя, и на основании расчёта выбирается тип стандартного силового трансформатора ТПП.
Прежде всего необходимо определить требуемое напряжение питания. Для каждого ОУ указывается диапазон напряжения питания, при котором он нормально работает, не искажая усиленный сигнал, например, 3-15 В. В этом диапазоне нужно выбрать наименьшее возможное Uпит для того, чтобы блок питания был экономичным. Например, если ОУ должен обеспечить на выходе 3В эффективного напряжения, его Uпит должно быть не менее 3√2≈4,2В. Практически в этом случае Uпит=5В, при меньшем Uпит выходной сигнал будет «обрезан».
Расчета торройдного трансформатора
Дано: напряжение питающей сети
Uc=220 В, — выходное напряжение
1. Определяют мощность вторичной обмотки
2. Определяют габаритную мощность трансформатора
Величину к.п.д. и другие необходимые для расчета данные выбирают по таблице из нужной графы ряда габаритных мощностей.
3. Находят площадь сечения сердечника
4. Подбирают размеры сердечника Dc, dc и hc
Ближайший стандартный тип сердечника – ОЛ20/16, площадь сечения которого равна S=5 см2 (не менее расчетной).
5. При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие: dc=10 должно быть больше или равно dc`
6. Предположим, что выбран сердечник из стали Э320, тогда число витков на вольт определяют по формуле:
7. Находят расчетные числа витков первичной и вторичной обмоток
Так как в тороидальных трансформаторах магнитный поток рассеяния весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь их активным сопротивлением, вследствие чего относительная величина падения напряжения в обмотках тороидального трансформатора значительно меньше, чем в трансформаторах стержневого и броневого типов. Поэтому для компенсации потерь на сопротивлении вторичной обмотки необходимо увеличить количество ее витков лишь на 3%.
8. Определяют диаметры проводов обмоток
где — ток первичной обмотки трансформатора, определяемый из формулы:
В итоге получаем диаметры проводов на обмотках:
Источник