Аналоговые и цифровые датчики — преимущества каждого вида

Сенсорное обнаружение берет начало в аналоговом мире, где желаемая информация представляет из себя постоянно меняющийся параметр. Обычно сигнал от чувствительного элемента усиливался, компенсировался и преобразовывался к линейному виду в соответствии с системой, для которой датчик был предназначен, и все действия производились в аналоговой форме. Начиная с середины 1990-х начался переход от аналоговой формы к цифровым протоколам, обработке сигнала и интерфейсам, и на сегодняшний день этот переход идет полным ходом. Скорость перехода приборов к аналого-цифровому преобразованию различается в зависимости от отрасли промышленности, но в настоящее время цифровые технологии являются преобладающими во многих сферах применения. Это не означает, что сегмент аналоговых преобразователей сократится и сойдет на нет, поскольку все еще существует много областей применения, для которых преимущества аналоговых преобразователей будут всегда перевешивать цифровой метод, к примеру, в средах с высоким уровнем электромагнитных/радиочастотных помех или в устаревших, но эксплуатирующихся в аналоговых системах.

Датчик давления с цифровым или аналоговым выходным сигналом

Цифровые и аналоговые датчики давления различаются технологией, интерфейсом, типом выходного сигнала. Компания KELLER разработала промышленный датчик давления, доступный как в цифровом, так и в аналоговом исполнении.

Обе версии обладают следующими преимуществами:

• Выполняют функции измерения и передачи данных о давлении газа или жидкости в системах, трубах и резервуарах.
• Механически идентичны и взаимозаменяемы.
• Для преобразования давления в аналоговый сигнал напряжения используются гибкая мембрана, кремниевый тензодатчик и мост Уинстона.
• Преобразование аналогового сигнала в цифровой для дальнейшей обработки с помощью электроники датчика.

На этом сходства версий заканчиваются. Далее будут описаны различия аналоговых и цифровых преобразователей не только в функциональном плане, но и по возможностям и преимуществам.

Аналоговый выход — непрерывно изменяющийся сигнал

В аналоговой версии датчика корректировка цифрового сигнала от встроенного аналого-цифрового преобразователя осуществляется несколькими способами. Коэффициенты калибровки применяются для подтверждения характеристик точности датчика. Затем с помощью температурной компенсации происходит корректировка сигнала. В завершение проводится калибровка нуля и шкалы для установки выходного сигнала в желаемом диапазоне в соответствии с серийным номером датчика. После этого сигнал снова конвертируется в аналоговый с помощью встроенного цифро-аналогового преобразователя, проходит через единичное усиление и отправляется к выходным контактам. Выходной сигнал постоянно меняется точно так же, как и давление, оказываемое на датчик. В устаревших технологиях, например, у тензодатчиков из фольги, сигнал корректируется резисторами, расположенными на печатной плате, на основе характеристик чувствительного элемента по давлению и температуре. С тех пор, как микропроцессоры и микросхемы начали становиться более компактными, многие из них были интегрированы в датчики давления, что привело к более высокой точности, лучшему конструктивному исполнению и, в отдельных случаях, к снижению затрат.

Аналоговый преобразователь давления 23SY имеет следующие типы выходных сигналов:

Цифровой сигнал - вывод данных на языке ПК

Цифровая версия преобразователя предполагает применение различных схем компенсации при обработке сигнала. Обработанные данные в цифровом виде сохраняются в регистрах для последующей передачи в систему. Наиболее распространенным цифровым протоколом передачи данных, используемым для сенсоров и преобразователей, является Inter-Integrated Circuit (IIC или I2C). Эта техника связи разработана таким образом, чтобы датчик не передавал значения измерения давления системе до тех пор, пока не поступит запрос данных от контроллера. Поскольку необходимость получения данных от датчика носит периодический характер, датчик может уходить в "спящий режим" (режим пониженного энергопотребления) между запросами данных. Таким образом обеспечивается экономия энергии, что особо важно как при питании от батареи, так и при беспроводном применении.

Почти все цифровые преобразователи KELLER проводят измерение температуры. Информация о температуре является важной, так как используется для компенсации сигнала в целях обеспечения максимальной точности измерений. Датчик оцифровывает данные о температуре для дальнейшей компенсации и сохраняет их в регистр, к которому, в свою очередь, можно получить доступ также, как к значениям измерения давления. Результатом является наличие двух значений измерения от одного датчика. В целях повышения эффективности данные в цифровом виде сохраняются и передаются в шестнадцатеричном формате, но для удобства обзора в графиках и таблицах используется десятеричный формат.

Многие датчики KELLER, включая модель 23D, проводят измерение температуры с помощью моста Уинстона. Эта техника обеспечивает получение более точных данных о температуре среды, оказывающей давление на датчик, для компенсации показаний.

Сравнение характеристик аналоговых и цифровых преобразователей

В таблице ниже приведено сравнение основных технических характеристик и рабочих параметров аналоговых и цифровых преобразователей 23SY и 23D.

1. ВПИ = верхний предел измерения
2. N/A = нет данных
3. N/S = не определено техническими условиями
4. Диапазон зависит от P/N и конфигурации выхода

На общую точность измерений системы, использующей аналоговые датчики, могут влиять ошибки на выходе датчика, а также способ их устранения. В цифровых системах ошибки могут возникать при наличии вибраций, дрожания и проблем с разрешением.

Выбор подходящего датчика исходя из проектных характеристик

Наличие аналогового или цифрового преобразователя давления 23SY/23D значительно расширяет возможности для инженеров-проектировщиков. Принимая во внимание, что проект заказчика может предполагать наличие уникальных и редких параметров, соответствие им не будет являться проблемой для датчиков 23SY/23D, так как ряд модификаций включает в себя широкое многообразие различных стандартных версий преобразователя 23SY/23D и вероятность того, что одна из них будет подходить по характеристикам, оказывается высокой. В таблице ниже приведен список ключевых проектных характеристик и выбор для каждой из них.

Выбор аналогового датчика

В некоторых случаях условия задачи содержат особые требования, которые должны быть учтены при выборе аналогового или цифрового преобразователя. Хорошим примером является контроль давления в химических процессах на нефтеперерабатывающем заводе. В зависимости от планировки предприятия датчик давления может располагаться в разных местах, к примеру, очень далеко от системы управления, к которой он подключен; в таком случае требуется наличие длинного соединительного кабеля. Такие кабели могут быть подвержены электромагнитным и радиопомехам, а также электростатическим разрядам от соседних кабелей и оборудования. Эти электрические помехи могут подавлять или искажать аналоговый сигнал с высоким сопротивлением в кабеле.

Распространенной технологией для решения данной проблемы является метод передачи с высоким током и низким сопротивлением, невосприимчивого к источникам помех. Токовая петля 4-20 мА идеально подходит для решения этой задачи. Сигнал по давлению датчик использует для управления силой тока, получаемого от источника питания, расположенного в том же месте, что и система управления. При нулевом уровне сигнала значение силы тока равняется 4 мА, при максимальном уровне - 20 мА. Уровень сигнала, расположенный в границах этого диапазона, будет пропорционален соответствующему значению силы тока. Такая технология представляет собой идеальный способ решения проблем, связанных с электромагнитными и радиопомехами. В аналоговой версии 4-20 мА датчик давления 23SY может быть выполнен с 22 различными стандартными диапазонами давления (от давления разряжения до 1000 бар ВПИ).

Выбор цифрового датчика

Промышленность постепенно переходит к новой технологии IIoT - Интернету вещей или Индустрии 4.0. Основная идея состоит в том, чтобы с помощью датчиков обеспечить постоянный контроль каждого основного параметра промышленного процесса на производстве. Собранные данные передаются в центральный компьютер или облако, где происходит их обработка и дальнейшее хранение. Все процессы осуществляются в цифровом формате в целях повышения эффективности передачи данных, их анализа и хранения. В таком случае при использовании преобразователя с цифровым интерфейсом для передачи данных обеспечивается экономия затрат на систему, а также оптимальное взаимодействие датчика с системой контроля.

Свобода выбора конструкционного решения с датчиком 23SY/23D

Независимо от того, в какой области находится задача - аналоговой или цифровой, доступность сенсоров и датчиков, способных работать в обоих случаях, обеспечивает значительную гибкость для разработчиков систем. Преобразователи как в аналоговой, так и в цифровой версии, обладают одними и теми же основными функциями точного измерения давления и передачи данных в систему управления. Наличие опции передачи данных как в аналоговом, так и в цифровом формате, предполагает, что конструкция системы окажется эффективной и низкозатратной, тем самым обеспечивая желаемый результат, отвечающий любым конструкторским требованиям.

Заключение

Компания KELLER является технологическим лидером в сфере производства датчиков давления, обеспечивающим возможности подключения в современном мире с растущим количеством различных взаимосвязей. Компания KELLER имеет колоссальный опыт работы: от обеспечения измерительными приборами предприятий в сферах машиностроения, промышленности, коммерческих перевозок, аэрокосмической и оборонной областей до решения различных задач в медицинской сфере и обработки уникальных пользовательских запросов.