Аналоговые и цифровые датчики: что лучше
В данной статье мы рассмотрим, какие датчики веса (цифровые или аналоговые) лучше использовать в промышленных весах, рассмотрим их достоинства и недостатки.
Аналоговые датчики
Они представляют собой металлические приборы с наклеенными тензорезисторами. Имеют аналоговый выход, запитываются переменным или постоянным током, причём количество ошибок в измерении в первом случае меньше, чем во втором. Однако, несмотря на это, популярным стало постоянное питание, поскольку оно более дешёвое и доступное. Обычно в промышленных весах используют 3 и больше датчиков. Их сигналы суммируются в специальной соединительной коробке.
Помимо суммирования, применяют также мультиплексор. В этом случае говорят о мультиплексировании, когда датчики поочередно подключаются к измерительному прибору. Данный способ характеризуется удобством в калибровке, настройке и диагностировании загрузки каждого из датчиков. Недостатком является нарушение синхронности измерений, которая важна, когда речь идет о быстро сменяющихся нагрузках в процессе замеров в движении, дозирования и т. п.
Как правило аналоговые датчики устанавливаются на весы для статического взвешивания: платформенные, крановые, автомобильные и вагонные.
Цифровые датчики
Их отличия заключаются в том, что они имеют цифровой выход и электронную схему фильтрации, усиления и оцифровки сигнала аналогового типа, который передаётся на принимающее устройство. Как правило, цифровой сигнал передаётся по последовательному интерфейсу (обычно это витая пара RS-4 85). Главные достоинства цифрового датчика — это исключительная простота процедуры калибровки и прямая диагностика.
Его подключение осуществляется к общей шине индикатора веса, который выступает в качестве «мастера шины» и устройства, дающего визуальную информацию о результатах замеров. Длина кабеля от индикатора до соединительного короба напрямую зависит от скорости, с которой осуществляется передача данных. Так, например, если она равна 300 килобитам в секунду, то необходим провод не больше 300 метров.
Поскольку быстрота передачи по шине ограничена, то и аналоговый преобразователь не должен превышать показатель, равный 2 Гц. Этого иногда не хватает, когда речь идёт о переменных нагрузках. Именно поэтому использование данных устройств ограничено в весах для взвешивания в движении и в оборудовании для дозирования.
Таким образом, цифровые датчики применимы в том случае, когда необходимо статическое взвешивание или когда нагрузки меняются достаточно медленно.
Цифровые датчики веса как правило устанавливаются на вагонные и автомобильные весы, особенно на модели для взвешивания в движении.
Сравнение цифровых и аналоговых датчиков
- Надёжность. В первом случае она выше, поскольку нет дополнительных устройств для преобразования (т. е. нет платы АЦП, которая при выходе из строя повлечёт замену всего датчика).
- Точность. Одинакова за счёт использования одного и того же способа замера.
- Проверка состояния. В цифровом датчике она проходит значительно быстрее.
- Помехоустойчивость. Аналоговое устройство очень уязвимо к помехам.
- Взаимозаменяемость. В 1-м случае возможна замена на изделие другого производителя, во 2-м — нет.
Таким образом, выбор датчика должен исходить из условий, в которых он будет эксплуатироваться, и из решаемых с его помощью задач.
Источник
Чем отличаются аналоговые от цифровых датчиков
Аналог или цифра? Вот в чем вопрос!
«Какие тензодатчики лучше использовать: аналоговые или цифровые? Для кого они лучше?»
Именно такие вопросы нам задают чаще всего в последнее время. Ответы на эти вопросы имеют все чаще противоположные толкования. Одни специалисты утверждают, что цифровые датчики – незаменимое средство от всех осложнений, возникающих в работе весов, другие — придерживаются мнения, что они являются источником проблем.
Ряды дискутирующих можно разделить на несколько основных групп заинтересованных специалистов, которые создают разные этапы жизненного пути весов:
1. Ими являются разработчики, производители и продавцы тензодатчиков и иных компонентов весовых систем;
2. Разработчики, производители и продавцы непосредственно весов и весоизмерительных систем;
3. Специалисты метрологических центров;
4. Работники ремонтных предприятий;
5. Покупатели (потребители) весовых систем.
Ежедневное общение со всеми группами специалистов, а также бизнес-моделью возглавляемого мною предприятия, которое осуществляет единовременно инновационную, проектную, производственную, коммерческую и эксплуатационную деятельность, обязывает меня одновременно отстаивать интересы всех групп специалистов.
Проанализировав всю информацию от научных работников техуниверситетов, исследовав данные от производителей датчиков, собрав все противоположные мнения в общении с десятками причастных к этому сторон, и, наконец, пропустив эту совокупную информацию через собственный опыт, я готов сделать выводы и поделиться ими с Вами.
В этой публикации я постараюсь раскрыть ключевые характерные особенности использования цифровых и аналоговых датчиков с минимальным употреблением сложной технической информации и технических терминов.
Прежде, чем начать описание всех «за» и «против», предлагаю разобраться в упрощенной форме с принципом работы весовых систем с цифровыми и аналоговыми тензометрическими датчиками.
Зачастую, при использовании в весовых системах аналоговых датчиков применяется ниже представленная упрощенная схема подключения (рассмотрим ее на примере вагонных и автомобильных весов):
Итак, оперативная информация с аналоговых тензодатчиков по кабелю попадает в клемную соединительную коробку. Как правило, коробка оснащена прецизионными резисторами, посредством которых происходит выравнивание чувствительностей каждого из датчиков, а также их аналогового суммирования. Далее суммарный сигнал передается в весовой индикатор. Здесь при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) сигнал оцифровывается. Также весовой индикатор оснащен программой калибровки весовой системы. Данная программа автоматически присваивает цифровому коду значение в единицах массы (тоннах, килограммах, граммах или других).
Теперь рассмотрим упрощенную схему весовой системы с использованием цифровых датчиков:
Измерение при использовании цифровых тензометрических датчиков происходит в точности как при использовании аналоговых датчиков. Отличие состоит лишь в том, что оцифровка сигнала осуществляется не в весовом индикаторе, а в каждом отдельном датчике и уже далее цифровой код отправляется в весовой индикатор и соединительную коробку либо в компьютер. В случае если весовой индикатор не применяется, то визуализация результатов и калибровка системы происходит посредством специального программного обеспечения на компьютере.
А теперь давайте вместе последовательно разберем главные различия в применении аналоговых и цифровых тензометрических датчиков, а также их преимущества и недостатки.
1. Способ передачи данных от тензометрического датчика в весовую систему (отличие аналогового сигнала от цифрового).
Различия в методиках передачи сигналов цифровыми и аналоговыми тензометрическими датчиками в весовую систему состоит в следующем:
с помощью аналогового сигнала осуществляется передача информации от датчика к весовому прибору, однако при этом числовые значения возникают при осуществлении аналого-цифрового преобразования в цифровом приборе. По этим причинам неинформативные искажения сигналов, которые возникают в тензометрическом кабеле между прибором и датчиком являются низкочастотными (электростатика, температурные и прочие) или высокочастотными (импульсные помехи, электромагнитные шумы). В последствие они суммируются с ним и вносят погрешности в информацию, передаваемую от датчика.
Тензометрические кабели, разработанные ведущими производителями составляющих весовых систем, (НВМ, ZEMIC USA Inc., CAS, MettlerToledo, Flintec, Siemens и прочих) совокупно с методами обработки аналоговых сигналов (фильтрация, шестипроводное подсоединение датчиков) понижают такие погрешности до предельных границ комбинированных погрешностей тензодатчиков. Следственно, в случаях, если весовой индикатор не удален от весового прибора на расстоянии более чем на 200 метров, то влияние температуры и электромагнитных помех можно не принимать во внимание.
От цифрового датчика информативные данные передаются в импульсно-закодированном виде и при воздействии большинства всех перечисленных факторов искажаются. При этом значение самих кодов не искажается, и это воздействует только лишь на устойчивость канала передачи информации. Помехозащищенность и помехоустойчивость цифровых каналов порядком выше аналоговых каналов.
Цифровые тензодатчики все же имеют недостаток: цифровые сигналы последовательно поступают с датчиков в прибор или ПК. Согласитесь, это значительно замедляет процесс измерения. В то же время, если моменты измерения не синхронизированы, то возможно возникновение динамических методических погрешностей измерения.
Не могу сказать, что это имеет огромное значение, но все-таки для некоторых весовых приборов, в особенности для многоканальных систем взвешивания в движении, это может быть важным.
2. Расстояние, на которое может передаваться информация (интервал от тензодатчиков до весового индикатора).
Здесь конечно в приоритете цифровые датчики в сравнении с аналоговыми. Цифровой сигнал передается на расстояние до 1000 – 1200 метров, при этом качество практически не ухудшается, а аналоговый сигнал передается на расстояние до 200 метров. В этом случае необходимо определиться, какое расстояние от датчиков до весового терминала потребуется именно Вам?
3. Бытует мнение, что при замене цифровых тензометрических датчиков нет необходимости в поверке и калибровке весов. Разберемся, так ли это?
Ответ на этот вопрос имеет двоякое значение. Теоретически можно заменить цифровой тензодатчик, и владея данными о необходимых коэффициентах калибровки (о характеристике преобразования, которая указана в сопроводительной документации на тензодатчик), показать их в весах. Этого будет достаточным для восстановления функционирования весовой системы. При этом весы будут работать по среднему классу точности. Но работать на таких весах без калибровки их образцовым грузом противозаконно. Это регламентируется техническими регламентами и ГОСТами. Номера датчиков, которые установлены в автовесы, отмечаются в паспорте. Также в паспорте должна быть подпись и печать поверителя, свидетельствующие о соответствии весов среднему классу точности и готовности их к эксплуатации.
Вы должны помнить, что при замене любого из датчиков в системе следует пользоваться услугами поверителя (метролога) с образцовым грузом и заново осуществлять поверку весовой системы. После этого вносятся изменения в техпаспорт на весы, записывается номер нового установленного датчика.
4. Точность тензодатчиков: какой тензодатчик точнее, аналоговый или цифровой?
Уже изначально это неправильно поставленный вопрос. Точность датчика веса, как и весовой системы в целом, устанавливается границами абсолютных допускаемых погрешностей измерения, которые выражаются в единицах массы через цену поверочного деления (е), не зависимо цифровой это датчик или аналоговый.
Точность датчиков определяется Классом Точности (по OIML это С2, С3, С4, С5) и исчисляется уровнем разработки, метрологическими и технологическими возможностями производителя тензодатчиков. Таким образом, точность аналоговых и цифровых тензодатчиков одинакова, если эти датчики одного класса точности.
5. В каких системах можно увидеть показания каждого отдельного датчика? Для чего это нужно?
Как я отметил выше, информация с аналоговых тензометрических датчиков оцифровывается только после суммирования в соединительной коробке. Это свидетельствует о том, что получить информацию в цифровом виде от каждого датчика нет возможности. Мы можем увидеть лишь цифровой код, а позже вес со всех датчиков вместе, но не по отдельности. В цифровых же датчиках оцифровывание информации происходит непосредственно в тензометрическом датчике, и мы получаем данные от каждого датчика в отдельности.
Для чего это нужно? Если есть необходимость в анализе и сравнении значений веса с каждого отдельного датчика (например, в автомобильных или вагонных весах необходимо установить ровнозагруженность вагона или центр тяжести), то аналоговые тензодатчики без дополнительных устройств в этом случае не подойдут.
6. Взаимозаменяемость тензометрических датчиков от разных производителей. Работа с различными весовыми индикаторами.
Сегодня не существует взаимозаменяемых цифровых тензометрических датчиков, изготовленных разными производителями. По особенности взаимозаменяемости тензодатчиков от разных производителей предпочтительными являются аналоговые датчики.
Если рассматривать цифровые датчики разных производителей, то каждый из них имеет свои протоколы обмена данными, и как следствие, при необходимости замены требуется устанавливать точно такой же датчик. Функционируют такие датчики только с соответствующим фирменным цифровым индикатором либо программным обеспечением.
В аналоговых датчиках все намного проще. Аналоговые датчики практически всех мировых известных производителей являются взаимозаменяемыми. К тому же весовой прибор с ними можно использовать от любого производителя при условии соответствия его техническим характеристикам.
7. Надежность тензометрических датчиков. Аналоговые или цифровые?
Всем нам известно, что чем меньше компонентов в какой-либо системе, тем меньше риск ее поломки и выхода из строя. Дополнительная электронная плата в цифровом тензодатчике допускает вероятность ухудшения его надежности. Но, не смотря на это, надежность встроенных электронных компонентов (процессорных и аналого-цифровых элементов) в сравнении с эксплуатационными характеристиками надежности тензорезисторных структур, электронных плат и упругих элементов настройки аналоговых тензодатчиков, значительно выше.
Поэтому нам остается лишь признать факт того, что надежность цифровых и аналоговых тензодатчиков приблизительно одинакова, при всем том, что в цифровых тензодатчиках применяется намного больше электронных компонентов.
8. Стоимость тензодатчиков.
В большинстве случаев, все компании придерживаются мнения, что стоимость цифровых тензодатчиков значительно выше аналоговых. Они правы, но не в полной мере. При сравнении цены аналогового тензодатчика американского или немецкого производителя с цифровым тензодатчиком китайского производителя существует немалая вероятность того, что китайский цифровой тензодатчик стоит меньше. Однако это не является свидетельством того, что он хуже. В этом случае на стоимость влияют совсем другие факторы, о которых мы рассказывали Вам в других статьях.
А вот при сравнении цены цифрового и аналогового тензодатчиков от одного производителя видно, что стоимость цифрового датчика значительно выше.
В следующем пункте я решил объединить несколько преимуществ цифровых тензодатчиков:
9. Диагностика поломок, удобство настройки весовой системы, сервисное обслуживание.
Давайте поочередно рассмотрим каждое из преимуществ. Начнем с установки тензометрических датчиков в весы. Она осуществляется одинаково для цифровых и аналоговых датчиков потому, что габаритные размеры одинаковых моделей совпадают. Отличие состоит именно в настройке самой весовой системы.
Давайте разберемся вместе, каким образом она осуществляется. После установки всех датчиков в весы необходимо произвести так называемое «выравнивание по углам». Как я описывал выше, в аналоговых датчиках это действие осуществляется посредством резисторов в суммирующей соединительной коробке. При изменении сопротивления одного из резисторов, мы приведем систему к однозначным данным. Это осуществляется с целью одинаковости показаний в любом месте, где бы не находился груз на весовой платформе. В цифровых тензодатчиках эта настройка осуществляется посредством специальных коэффициентов. Их в память весового индикатора вводит настройщик. Вот, пожалуй, и все. Разница заключается именно в этом.
Теперь, что касается диагностики весовой системы. В цифровых тензодатчиках это довольно простая процедура. Весы сами определят, какой тензодатчик поломался, так как происходит автоматический опрос каждого датчика на работоспособность (самодиагностика).
При выходе из строя аналогового тензодатчика возникает необходимость в определении причины поломки. При этом требуется отключать из соединительной коробки по одному тензодатчику либо же отключить полностью всё и по очереди их продиагностировать. Обычно, эта усложненная процедура не займет более получаса у специалиста.
Замена поломанного датчика или сервисное обслуживание осуществляется одинаково. Отличие лишь в том, что при замене аналогового тензодатчика требуется вновь настроить весовую систему посредством резисторов, как писалось мной выше. А в цифровых датчиках необходимо будет ввести коэффициент. После всех нужных процедур следует произвести поверку весового прибора независимо от вида тензодатчика.
Многие специалисты придерживаются мнения, что при поломке одного цифрового тензодатчика автомобильные весы будут продолжать функционировать. Конечно, будут! Однако ни один достойный производитель и метролог не будет утверждать того, что весы функционируют при этом без дополнительной погрешности. А погрешность эта зависит, в большей степени, от расположения груза на платформе весов. Когда большая часть веса груза находится на месте, где расположен неработоспособный тензодатчик погрешность может увеличиваться во много раз.
Без сомнения, с позиции удобства настройки, диагностики и обслуживания цифровые тензодатчики предпочтительнее в использовании. Но лучшими они являются в большей степени для ремонтно-обслуживающих предприятий и производителей. Для покупателей весов заметных преимуществ при эксплуатации весовых систем с цифровыми датчиками в сравнении с аналоговыми не существует.
Главное преимущество аналоговых тензометрических датчиков:
Стоимость. При изготовлении весового прибора либо замене аналоговых тензодатчиков при выходе из строя (перегруз, молния и т.д.) их применение считается более экономичным.
Два основных преимущества цифровых тензометрических датчиков:
1. определение не только суммарного веса объекта взвешивания, но и его распределение, то есть определение разности загрузки тележек ж/д вагона, положения смещения центра масс и прочее. В таких весовых системах с цифровыми тензодатчиками, возможно установить информацию о действующих нагрузках на каждый отдельный датчик.
2. передача информации от тензодатчиков к обрабатывающей электронной аппаратуре при расстоянии до 1200 метров. Связано это с тем, что цифровые каналы передачи информации с позиции сохранения точностных свойств сигналов являются более целесообразными и эффективными.
В заключении давайте рассмотрим гибридные аналого-цифровые системы. Они способны при использовании аналоговых тензодатчиков извлекать потоки информации от каждого тензодатчика в отдельности и в случаях необходимости организовывать цифровые каналы передачи информативных данных в весовых системах. Структурная схема преобразования в таких системах представлена следующим образом:
Осуществление подобных структурных преобразований возможно при использовании многоканальных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). По конструкции они не соединены с тензодатчиками и могут находиться как рядом с датчиками (к примеру, под платформой весов) (при этом информация передается на весовую систему в цифровом виде), так и в весовом цифровом индикаторе, и в этом случае информация от каждого отдельного тензодатчика к индикатору передается в аналоговом виде.
Так, преимущества систем можно получить как на аналоговых тензометрических датчиках, так и на цифровых.
Источник