Усилители для датчиков NAMUR.

Переключающие усилители с гальванической развязкой цепей

Переключающие усилители используются при решении большинства промышленных задач, где необходимо передавать бинарные сигналы из взрывоопасной во взрывобезопасную зону.

Данные усилители могут быть соединены с:

– датчиками соотв. EN 50227 (NAMUR)

– механическими контактами

Приведенная схема отображает типичное построение цепи датчик искрозащитный усилитель.

На клеммы входной цепи подается стандартное напряжение 8,2 В постоянного тока. При этом значении напряжения во входной цепи, имеющей сопротивление Ri (как правило _ 1 кОм), падает определенное

значение напряжения. При изменении состояния датчика, изменяется его внутреннее сопротивление, следовательно изменяется ток и во входной цепи переключающего усилителя. Различие в величине тока включенного и выключенного датчика используется усилителем для определения порога переключения и, таким

образом, аналоговый сигнал преобразуется в пороговый.

Требования к датчикам/усилителям установлены стандартом EN 50227, в которым перечислены все важнейшие характеристики. На Рис. 2 изображена типичная выходная характеристикаиндуктивного датчика соответствующего стандарту EN 50227 (NAMUR) при номинальных условиях работы:

(U0 = 8, 2 В ± 0, 1 В; Ri = 1 k± 1 %;

TU = 20 °C ± 2 °C ).

Величина тока, при которой происходит переключение, имеет значение между 1.2 и 2.1 мА. Переключающие усилители TURCK откалиброванны на значение 1.55 мА, к которому необходимо прибавить значение

гистерезиса 0.2_0.4 мА. Величина гистерезиса обусловлена различием в расстояниях переключения датчиков, которое составляет до 10 % от номинальной величины (в зависимости от типа датчика).

Датчики стандарта NAMUR (EN 50227) всегда имеют низкое сопротивление < 400 Ом невзирая на их состояние. С другой стороны, они обеспечивают максимальное сопротивление для обеспечения прохождения минимального тока > 0.05 мА. Эти величины используются усилителем для контроля состояния холостого хода (обрыва провода) и короткого замыкания (К.З.). Для этогонеобходимо добавить два порога ко входной цепи. Если обнаружен обрыв или короткое замыкание, то соответствующий выход выключается. Некоторые переключающие усилители снабжены дополнительным аварийным выходом. В случае, если не обнаружено никаких ошибок на входе, аварийный выход включен, при появлении неисправности во входной цепи, онвыключается.

Механические контакты также могут быть использованы взамен датчиков в качестве входных устройств. В этих случаях изменяются условия во входных цепях в следствие отсутствия внутреннего сопротивления открытого контакта. Это могло бы привести к тому, что механический контакт воспринимался бы переключающим усилителем с функцией контроля входной цепи, как обрыв или короткое замыкание (в зависимости от состояния "Вкл." Или "Выкл."). Преимущества устройств имеющих функцию контроля входной цепи, при использовании их вкупе с механическими контактами, позволяют получить шунтирующие сопротивления, которые симулируют уровни сигналов датчиков NAMUR для механических контактов.

При использовании многоканальных усилителей, любой неиспользуемый вход должен быть зашунтирован сопротивлением (10.. .22 kΩ) для невозможности контроля входной цепи этого входа (конечно исключая тот случай, когда эта функция устанавливается отдельно для каждого канала). Таким образом происходит защита от ложного определения состояния входа. TURCK выпускает переключающие усилители в следующих исполнениях:

– без контроля входной цепи (для датчиков NAMUR и механических контактов)

– с постоянным контролем входной цепи (для датчиков NAMUR и механических контактов с дополнительным сопротивлением)

– с контролем обрыва и короткого замыкания

– с программируемым контролем обрыва и короткого замыкания (для датчиков NAMUR и механических контактов с дополнительными сопротивлениями соответственно выбранной функции контроля).

Выходные функции

Функция выхода устанавливается на переключающем усилителе и характеризует режим работы выхода вкупе с соответствующим входом. В каталоге необходимо обращать внимание на слова "нагруженный/нормально разомкнутый режим (NO)" и "ненагруженный/нормально замкнутый режим (NC)" что соответствует режиму работы выхода в случае использования механических контактов в качестве входного устройства.

Конвертор сигналов типа "NAMUR"

В последнее время все настойчивее ставится задача постоянного контроля исправности линий связи, идущих от датчиков дискретных сигналов. Промышленностью уже освоен выпуск приборов с датчиками типа «NAMUR», для которых разработаны соответствующие приемники преобразователи. Эквивалентная схема датчика типа «NAMUR» представлена на рисунках, они просты, но преобразователи сигналов для таких датчиков требуют более сложной схемотехники. Задачей преобразователей является определение как состояния датчика: включен отключен так и постоянная диагностика состояния линии связи норма, обрыв, короткое замыкание. Диагностика состояния линии связи является особенно важной для ответственных сигналов систем противоаварийной защиты ПАЗ. Отсутствие информации об отказах линий связи может приводить к нарушению выполнения отдельных функций систем ПАЗ или ложному срабатыванию защиты. Причина этому – невозможность в обычных схемах приема сигналов различить состояние датчика «отключено» от обрыва линии и состояние «включено» от короткого замыкания в линии. Наличие диагностики состояния линий связи позволяет системе принимать различные решения, включая предупредительные меры обеспечения безопасности.

Есть различные способы реализации контроля линий связи и состояния датчиков дискретных сигналов. Одним из самых полных и удачных методов диагностики линий связи является метод обтекания цепи датчика постоянным током. В данном методе для всех состояний датчика и сопротивления линии связи должны быть определены диапазоны токов, протекающих в линии с датчиком. Так например, для широко распространяющегося стандарта датчика типа «NAMUR» определены следующие параметры:

Рисунок 1.

На рисунке 1 показан не дорогой вариант реализации схемы приёма дискретных сигналов и диагностики линий связи. Метод основан на компарировании порогов напряжения, вызванных протеканием тока в цепи датчика и линии связи. В схеме используется самый простой счетверенный операционный усилитель в одном корпусе, диоды резисторы и конденсаторы. Для заданных значений токов в цепи датчиков типа «NAMUR» произведены расчеты опорных напряжений для компараторов и значения сопротивлений, указанных в электрической схеме на рисунке 1 и 2. Выходные сигналы операционного усилителя можно в дальнейшем усилить либо транзисторным усилителем, либо включить оптопару, а также подключить светодиодные индикаторы – зеленый для отображения «состояния», красный для отображения «отказ». Такая схема рекомендуется при приеме постоянных или импульсных сигналов, с частотой не более 20 кГц (например сигналы турбинных расходомеров). Предложенная схема может работать как с обычными датчиками так и датчиками типа «NAMUR». При работе с обычными датчиками вывод «отказ» не используется.

При приеме сигналов, не требующих быстрого реагирования можно построить схему с одним компаратором и поочередной установкой для всех групп компараторов (датчиков) различные уровни порогов срабатывания компараторов с последующим запоминанием значения сигналов компараторов и логической обработкой результатов, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

Конвертор сигналов на 8 каналов.

Рассчитанные значения токов в цепи датчика учитывают возможность изменения сопротивления в линии и установку дополнительного сопротивление (например в виде пассивного барьера искрозащиты ( 260 Ом.)). Сопротивление цепи датчика, цепи линии и др. последовательно соединенных с ними приборов при замкнутом контакте датчика может принимать суммарно значение от 400 ом до 2,0 кОм. Для приведенного расчета тока в цепи датчика на схеме, в его цепи, установлено последовательно сопротивление 1 кОм, включающее в себя суммарно: собственное сопротивление установленного в датчик резистора, сопротивление линии связи и сопротивление барьера искрозащиты.

Напряжение питания цепи датчика может варьироваться, рекомендуемый диапазон от 7 до 9 вольт, соответственно этому изменению будет изменяться ток, протекающий через датчик, и пропорционально изменению напряжения пороги срабатывания компараторов. Диапазон изменения напряжения питания датчика входит в расчетные значения токов.

Для использования возможности контроля линий связи в существующих системах можно установить в цепи обычного датчика два резистора, как показано на рисунках, максимально приближенно к месту установки датчика. При этом необходимо учитывать допустимые токи в цепи датчика и в соответствии с этими ограничениями производить расчет токов в цепи и выделяемые тепловые потери на резисторах датчика и преобразователя.

Подводя итоги данной статьи, хотелось бы отметить необходимость закрепления в нормативных документах Ростехнадзора, регулирующих требования к системам безопасности, важного требования об обязательном применении средств диагностики состояния линий связи от датчиков дискретных сигналов.

Конвертор сигналов на 3 канала