Измеритель для аналоговой токовой петли 4-20 мА Опции

[koluna]

Здравствуйте!

Задача следующая.
Спроектировать измеритель давления. Датчик OT-1 0-10 Бар, двухпроводное исполнение.
Фактически измеритель представляет из себя небольшую плату, на которой SPI АЦП и аналоговые цепи для подключения датчика.
Плата подключается к уже готовому контроллеру по SPI.

Прочитал несколько статей по петле, прошелся поиском (google) по форуму, но не нашел ответов на свои вопросы.
Прошу помочь разобраться.

1. Гальваническая развязка.
В каких случаях нужна, а в каких не нужна?
На что влияет?
Хотелось бы увидеть структурную схему петли с прорисовкой входных/выходных цепей устройств.
Или что-то в этом роде.

2. Защита аналогового входа.
Как я понимаю, шунт защищать смысла нет. А вот аналоговый вход защитить нужно. В форуме советуют стабилитрон (напряжение стабилизации немного больше, чем напряжение на шунте при токе 20 мА) и предохранитель на 1 А. Это на случай КЗ в линии. Не понимаю, как высокое напряжение в этом случае может повредить аналоговый вход?

3. Питание датчика.
Любой датчик, питающийся непосредственно от петли должен потреблять не более 4 мА?
Кстати, сколько потребляет OT-1 - в даташите не указано. Или предполагается, что он автоматически удовлетворяет выше приведенному требованию?

Благодарю заранее.

[Пушкарев Михаил]

3. Питание датчика.
Любой датчик, питающийся непосредственно от петли должен потреблять не более 4 мА?
Кстати, сколько потребляет OT-1 - в даташите не указано. Или предполагается, что он автоматически удовлетворяет выше приведенному требованию?

Вам нужен датчик с выходным сигналом 4-20 мА, который и потребляет эти самые миллиамперы.

[koluna]

Вам нужен датчик с выходным сигналом 4-20 мА, который и потребляет эти самые миллиамперы.

Да я знаю, что мне нужен такой датчик. Их есть у меня давно
Видимо, Вы неправильно поняли меня.

По поводу третьего вопроса, на который Вы ответили.
Ограничение в потреблении четырьмя мА, это стандарт (требования) для всех подобных датчиков, которые могут быть запитаны только по петле и не могут быть запитаны от отдельного источника?

[rezident]

Ограничение в потреблении четырьмя мА, это стандарт (требования) для всех подобных датчиков, которые могут быть запитаны только по петле и не могут быть запитаны от отдельного источника?

Это естественное/логическое требование, вытекающее из того факта, что если потребление самого датчика будет превышать 4мА, то оно (ток потребления) будет вносить искажения в информационную составляющую сигнала токовой петли. Это уже не будет "токовой петлей 4-20мА". Более того, некоторые датчики передают дополнительную информацию о своей неисправности значениями тока вне указанного диапазона. Например, величиной тока петли 3,5мА или 22,5мА.

[koluna]

Это естественное/логическое требование, вытекающее из того факта, что если потребление самого датчика будет превышать 4мА, то оно (ток потребления) будет вносить искажения в информационную составляющую сигнала токовой петли. Это уже не будет "токовой петлей 4-20мА".

Это уже понятно

Более того, некоторые датчики передают дополнительную информацию о своей неисправности значениями тока вне указанного диапазона. Например, величиной тока петли 3,5мА или 22,5мА.

Про это читал.
Спасибо!

Кстати, есть ли необходимость калибровки? Насколько сложно/дорого получается?

Есть еще задачи, для которых недостаточно серийных показывающих, регулирующих, регистрирующих приборов, промышленных контроллеров?

Есть дешевые измерители с интерфейсом SPI и габаритами, скажем, 40х40х10 мм?
Я же писал - задача специфическая. Необходимо подключить к уже разработанному устройству.

А по поводу гальванической развязки и защиты. Вы же ни слова не говорите об условиях применения и уровне помех. От чего защищаться-то будем?

Трудно определиться от чего защищаться...
Рядом стоит компрессор, насос и электродвигатель.
Несколько пускателей, питание везде 220 В.

По поводу развязки я пока не пойму, где она необходима, а где в ней смысла нет...

Гальваническая развязка вам понадобится когда вы датчик будете от отдельного источника питать, тогда узел выдающий 4-20 надо изолировать.

От какого отдельного источника? 3-проводное подключение?
Поясните, пожалуйста.

Под шунтом вы что имеете в виду? Если токоизмерительный резистор на другом конце линии, то обычно он нкак на защищается,

Его и имеем. Про это прочитал в другом топике
Защитить надо дорогой АЦП и, желательно, то, что стоит дальше за ним.

Вам очень надо это самому делать?

Да. Требуется подключить датчик к готовому агрегату.

Измерители давления - целая самостоятельная отрасль приборостроения. Далеко не все предприятия выпускающие промышленные приборы беруться за датчики давления, там много всего интересного.

Буду благодарен, если расскажете хотя бы про некоторые из подводных камней

Ну и собственно датчик купить вопросов нет. Хотите с индикацией , хотите без. Все питается от 4-20 и вписывается в 3.5 мА.

Датчик уже есть: OT-1 от WIKA.

Запитывайте линию датчика через какой-либо ограничитель по типу тех, что используются в искробезопасных барьерах.

Это какой?

Вот-вот, из-за этого "обычно" получили проблему - стали использовать двухпроводные датчики, и, если случайно коротнуть на датчике провода, напряжение питания валит на вход измерителя,выжигая всю входную часть... Защиты никакой, измерительные блоки меняем как расходники..

По поводу защиты от КЗ выводов датчика.
Если защищать выше указанным мною способом (ссылка в первом посте) с помощью стабилитрона (сапрессора) и предохранителя?

[Пушкарев Михаил]

Трудно определиться от чего защищаться...
Рядом стоит компрессор, насос и электродвигатель.
Несколько пускателей, питание везде 220 В.

По поводу развязки я пока не пойму, где она необходима, а где в ней смысла нет...

Его и имеем. Про это прочитал в другом топике
Защитить надо дорогой АЦП и, желательно, то, что стоит дальше за ним.

Если защищать выше указанным мною способом (ссылка в первом посте) с помощью стабилитрона (сапрессора) и предохранителя?

Ваш датчик имеет минимально допустимое напряжение питания 8 В. Пусть имеем источник питания с номинальным напряжением 24 В. С учетом возможности отображения перегрузки максимально допустимое сопротивление в цепи датчика составит (24-8)/22=727 Ом. Пусть токоизмерительный резистор равен 100 Ом (хорошее значение для АЦП с ИОН 2,048-2,5 В). Тогда в цень можно включить еще 627 Ом. Поставим добавочный резистор 560 Ом. При соответствующей мощности резисторов защита от замыкания в линии гарантирована. Можно, как писали выше, поставить самозащищенный ограничитель тока миллиампер на 40. После шунта буфер на ОУ и RC-фильтр. АЦП спасен!!!.

Гальваническая развязка эффективна с точки зрения подавления помех при наличии протяженной линии связи.

Зачем Вам дорогой АЦП, датчик то у Вас не ого-го, погрешность в лучшем случае не менее 1 %, да и температурная погрешность порядочная.

Предохранитель на 40-63 мА можно поставить, а вот со стабилитронами осторожнее, ток утечки может испортить всю малину, особенно для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя.

Сообщение отредактировал Пушкарев Михаил - Nov 23 2010, 16:10

[koluna]

Ваш датчик имеет минимально допустимое напряжение питания 8 В. Пусть имеем источник питания с номинальным напряжением 24 В.

Понятно. Спасибо
Только вот для петли отдельный источник на 24 В ставить получается не очень удобно, предлагается запитать петлю от существующего 12 В, от которого вся остальная электроника запитана...

Гальваническая развязка эффективна с точки зрения подавления помех при наличии протяженной линии связи.

Это понятно. Но ведь петля в силу низкоомности измерителя изначально слабо восприимчива к помехам?
Кстати, как я понимаю, развязка помогает так же исключить более неприятное явление - земляные петли?

Зачем Вам дорогой АЦП, датчик то у Вас не ого-го, погрешность в лучшем случае не менее 1 %, да и температурная погрешность порядочная.

Уловно дорогой. Самая дорогая деталь на плате
Остановился пока на MAX1288.
Что можете порекомендовать еще?

Предохранитель на 40-63 мА можно поставить, а вот со стабилитронами осторожнее, ток утечки может испортить всю малину, особенно для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя.

Про утечку понятно, спасибо.
Допустим, если использовать измерительный резистор (шунт) на 100 Ом, то для защиты АЦП подойдет SMBJ5.0CA-TR?
На +5 В ток у него 800 мкА, а вот на +2 В, интересно какой? Будет ли влиять его утечка на петлю?
Да и будет ли он вообще выполнять свою защитную функцию при максимальном допустимом входном напряжении для АЦП 6 В?

Сообщение отредактировал n_bogoyavlensky - Nov 24 2010, 08:22

[Пушкарев Михаил]

Это понятно. Но ведь петля в силу низкоомности измерителя изначально слабо восприимчива к помехам?
Кстати, как я понимаю, развязка помогает так же исключить более неприятное явление - земляные петли?

Уловно дорогой. Самая дорогая деталь на плате
Остановился пока на MAX1288.
Что можете порекомендовать еще?

Про утечку понятно, спасибо.
Допустим, если использовать измерительный резистор (шунт) на 100 Ом, то для защиты АЦП подойдет SMBJ5.0CA-TR?
На +5 В ток у него 800 мкА, а вот на +2 В, интересно какой? Будет ли влиять его утечка на петлю?
Да и будет ли он вообще выполнять свою защитную функцию при максимальном допустимом входном напряжении для АЦП 6 В?

Да, гальваническая развязка в смысле помехоподавления помогает именно от этого - разрывает земли. В Вашем случае единственно реальный вариант - развязать оптронами цифровые линии между АЦП и микроконтроллером. Можно сделать гальваническую развязку и по аналоговому сигналу, но сложно.

У AD и TI АЦП не хуже, но дешевле.

Вы как раз предлагаете стабилитрон с напряжением стабилизации менее 6 В, в котором преобладает туннельный механизм пробоя, что не есть хорошо по утечкам. Если поставить его параллельно токоизмерительному резистору, то естественно его ток утечки будет вычитаться из полезного сигнала. После шунта RC-фильтр, потом буфер на ОУ, следом стабилитрон на 4,7 В. Тут уж с АЦП ничего не случится.

[koluna]

Да, гальваническая развязка в смысле помехоподавления помогает именно от этого - разрывает земли. В Вашем случае единственно реальный вариант - развязать оптронами цифровые линии между АЦП и микроконтроллером. Можно сделать гальваническую развязку и по аналоговому сигналу, но сложно.

После шунта RC-фильтр, потом буфер на ОУ, следом стабилитрон на 4,7 В. Тут уж с АЦП ничего не случится.

Что-то не соображу как правильно в этом случае запитать входную часть измерителя (буфер, АЦП, половина развязки).
Использовать развязанный DC/DC для запитки входной части?
Мы же не можем использовать общий источник (от которого питается петля и остальная электроника)?

[Пушкарев Михаил]

Что-то не соображу как правильно в этом случае запитать входную часть измерителя (буфер, АЦП, половина развязки).
Использовать развязанный DC/DC для запитки входной части?
Мы же не можем использовать общий источник (от которого питается петля и остальная электроника)?

А куда деваться? Если хотите гальваноразвязку, то только так.

[koluna]

А куда деваться? Если хотите гальваноразвязку, то только так.

Рассмотрим первый вариант.
Питаем входную часть измерителя от изолированного DC/DC в составе самого измерителя.
Структура прибора в общих чертах - файл "4-20.jpg".
Измеритель - файл "Meas.jpg".

Измеритель соединяется с платой 2 через разъем программирования МК (SPI).
Через этот же разъем на плату измерителя на вход DC/DC заводятся +5 В. На выходе DC/DC получаем питание для входной части измерителя. Выходная часть измерителя запитывается от +5 В с платы 2.

Насколько данный вариант будет оптимальным и правильным?

Прочитал про требование безопасности заземлять один из проводников петли.
На мой взгляд, этого делать нельзя при питании от AC/DC.
По крайней мере при моей структуре прибора...
Да и вообще, можно ли?
Получается, что общая цепь устройства оказывается на заземлении...
Или я ошибаюсь?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Пушкарев Михаил]

Питаем входную часть измерителя от изолированного DC/DC в составе самого измерителя.
Структура прибора в общих чертах - файл "4-20.jpg".
Измеритель соединяется с платой 2 через разъем программирования МК (SPI).
Через этот же разъем на плату измерителя на вход DC/DC заводятся +5 В. На выходе DC/DC получаем питание для входной части измерителя. Выходная часть измерителя запитывается от +5 В с платы 2.
Насколько данный вариант будет оптимальным и правильным?

Прочитал про требование безопасности заземлять один из проводников петли.

Можно конечно и так, но ведь цепи датчика через источник питания 12 В получаются связанными с измерителем. К чему тогда гальваноразвязка. От гальванически развязанного источника надо питать датчик и АЦП.

Где это Вы прочитали, что линию связи с датчиком следует заземлять?

Резистор после буфера следует убрать, чтобы исключить влияние токов утечки стабилитрона.

В номенклатуре "Овен"а наверняка есть подходящий приборчик.

[rezident]

Где это Вы прочитали, что линию связи с датчиком следует заземлять?

Линию связи рекомендуется экранировать, а экран заземлять (хотя в ряде случаев эффективнее подключать экран к общему проводу там же, где к ней подключается шунт). Но экран при этом совсем не обязательно должен быть гальванически связан с питанием приемника линии. Так что требование n_bogoyavlensky о включении датчика обязательно в цепь "минуса" какое-то надуманное.

[koluna]

Линию связи рекомендуется экранировать, а экран заземлять (хотя в ряде случаев эффективнее подключать экран к общему проводу там же, где к ней подключается шунт). Но экран при этом совсем не обязательно должен быть гальванически связан с питанием приемника линии. Так что требование n_bogoyavlensky о включении датчика обязательно в цепь "минуса" какое-то надуманное.

Тут понятно все.
Но, цитирую статью:

Первостепенным условием для работы компонентов
токовой петли является необходимость обеспечения галь-
ванической развязки от земли во всех точках подключения
компонентов к общей петле. Единственным исключением,
диктуемым соображениями безопасности, является необ-
ходимость заземления одного из двух соединительных
проводов. Никакие другие соединения с землей не допу-
скаются в каких-либо других точках токовой петли.

Конечно же не так. На схеме рис. 2 упомянутой статьи датчик и схема (усилитель+АЦП) питаются от источника питания, подключенного к контактам, Обозначенным + и -. Вам то зачем такая схема?

Что значит зачем? Я стараюсь рассмотреть все варианты. И понять какой вариант лучше.
Как это в токовой петле датчик-передатчик (рис. 1) и приемник (рис. 2) питаются от источника, который подключен им параллельно?!
В петле же все подключается последовательно...
Или я Вас неправильно понял?

Что, нельзя выбрать токоизмерительный резистор подходящей величины и обойтись без усилителя.

Можно, конечно.
Но для того, чтобы "растянуть" сигнал на весь диапазон АЦП при питании 12 В придется использовать АЦП с опорным 2.5 В.