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.

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?

4-20 мА - это унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что еще можно сказать? Раньше были трехпроводные датчики с таким выходным сигналом, да и сейчас изредка встречаются подобные, когда не удается собственное потребление датчика уложить в 4 мА.
Если в дальнейшем есть намерение производить измеритель серийно, учтите, что конкуренция велика, подобных устройств выпускается великое множество.

Тут все понятно.



Т. е., сейчас в основном все датчики двухпроводные и потребляеют до 4 мА?
Это интересная информация. Спасибо.



Измеритель разрабатывается под конкретную, весьма специфическую задачу.
Конкурировать с кем-нибудь смысла нет.

По вопросу 3 все ясно.
Но на вопросы 1 и 2 ответов пока не получил

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.

Гальваническая развязка является хорошим тоном. Пусть потребности нету, но потом избавит от многих проблем.
Защищать линию нужно однозначно. Случайный коротыш, или замыкание на землю вполне нормальное явление при обслуживании датчика. Какую именно защиту выбирать.. тут уж надо конкретно от ситуации смотреть

Есть еще задачи, для которых недостаточно серийных показывающих, регулирующих, регистрирующих приборов, промышленных контроллеров?
А по поводу гальванической развязки и защиты. Вы же ни слова не говорите об условиях применения и уровне помех. От чего защищаться-то будем?

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

Под шунтом вы что имеете в виду? Если токоизмерительный резистор на другом конце линии, то обычно он нкак на защищается, вот падение напряжения с него через помехоподавляющие цепочки идет на АЦП.


Вам очень надо это самому делать? Измерители давления - целая самостоятельная отрасль приборостроения. Далеко не все предприятия выпускающие промышленные приборы беруться за датчики давления, там много всего интересного.

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

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..

Запитывайте линию датчика через какой-либо ограничитель по типу тех, что используются в искробезопасных барьерах. Или токозащищенный ключ на паре биполярных транзисторов хотя бы сделайте. Пускай ограничивает на уровне 35-40мА ток в линию.

Я эксплуатирую, разработчики совсем другие люди А на все вопросы пожимают плечами - мол, на 3,4-х проводной схеме такого не было Еще один пример неудачной схемотехники

Если это про схемотехнику датчиков, то она не при чем. Это все шаловливые ручонки. Сделайте как советуют выше и все пройдет.

Нет-нет, про схемотехнику измерительного канала) Ведь поленились же изначально продумать, предусмотреть всё..

Это уже понятно



Про это читал.
Спасибо!

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



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



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...



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



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



Да. Требуется подключить датчик к готовому агрегату.



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



Датчик уже есть: OT-1 от WIKA.



Это какой?



По поводу защиты от КЗ выводов датчика.
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.

А дело -то в том что мы в своих приборах на каждый канал даем встроенный источник на 24 вольта, он с ограничением по току, поэтому если питать все от "нашего" проблем никаких нет.

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...



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.

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)?

Можно использовать один источник при условии, что ток от этого источника протекает по токовой петле и через измерительный шунт только одним единственным путем, без каких-либо ответвлений или суммирования.

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?

Второй вариант.
Но опять же для него нужно, чтобы датчик и входная часть измерителя потребляли в совокупности менее 4 мА?
Петля для этого варианта - "Sys.jpg".
Только тут вместо буфера (повторителя) уже будет инвертирующий усилитель, с меньшим входным сопротивлением...
Правильно?

Неправильно. Если вы включаете датчик в цепь "минуса", то общим проводом вы должны взять цепь "плюса" ИП. Соответственно токоизмерительный шунт должен стоять между "плюсом" и вторым выводом датчика. Измерения вам придется делать тоже относительно "плюса" источника, что весьма неудобно - всю схему придется "подвешивать" к "плюсу". Поэтому датчики с выходом типа токовая петля обычно включают в цепь к "плюсу" источника питания, а токоизмерительный шунт подключают вторым концом к его "минусу". Общим проводом будет "минус" ИП, как это чаще всего и бывает.

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.

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.

Не могу понять в чем неправильность.
Данный вариант схемы взят из статьи "Изолированный цифровой интерфейс для приемников и передатчиков токовой петли 4...20 мА". Электронные компоненты, №9, 2009 г. (приложил).
Рисунок 2.



Схема - "Sys2.jpg". Так?
Тут понятно, но как в этом случае запитать измеритель от петли?



Да... а слона я не заметил...



Cтатья "Изолированный цифровой интерфейс для приемников и передатчиков токовой петли 4...20 мА". Электронные компоненты, №9, 2009 г. (приложена выше).
Первая страница, первая колонка, 3-ий абзац снизу.



Соответственно, стабилитрон должен выдерживать максимальный выходной ток буфера при напряжении на выходе буфера, превышающем напряжение стабилизации стабилитрона?

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

Тут понятно все.
Но, цитирую статью:





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?



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

Дык в статье измеритель как раз "подвешен" к "плюсу" и питается от напряжения, снимаемого со стабилитрона, включенного последовательно в цепь токовой петли. Стабилитрона, а не диода как у вас нарисовано! В вашей схеме ток в петле зависит от тока потребляемого буфером, а не от тока датчика. Чтобы ваша схема работала корректно, ток потребления буфера должен быть всегда выше, чем максимальный ток в петле. Причем желательно в разы выше, чтобы на приемнике/измерителе не создавалось слишком высокое падение напряжения. Но поскольку ток в петле ограничен током датчика, то ваша схеме неработоспособна.

К контакту "+" на рис.2 статьи подключен "+" источника питания, к контакту "-" источника подключен контакт "+" датчика, к контакту "-" датчика контакт "-" на рис.2. Ток в петле течет от плюса источника питания через датчик, токосьемный резистор Ra, стабилитрон и подключенные параллельно ему усилитель и АЦП в минус источника питания.

По поводу необходимости заземления проводов токовой петли рекомендую спросить на http://iprog.pp.ru/forum

Это я понимаю.



У меня нарисован стабилитрон, а не диод! Посмотрите внимательно!



Что-то я совсем запутался...
Мы сейчас про какую схему говорим? Про схему из 24 поста?

Может мне еще и микроскоп для этого процесса использовать? Если хотите, чтобы вас понимали адекватно, то и публикуйте схемы так, чтобы они не вызывали двусмылсенных толкований. Для схем более подходит формат GIF или PNG или в PDF. Ну либо обозначили бы стабилитрон как ZD1, а не VD1.
Про нее. Только, если у вас там стабилитрон, то моя реплика становится неактуальной. Подумайте лучше, как вы будете подавать на вход буфера отрицательное напряжение. Придется какое-то смещение уровня входного сигнала делать.

Принял к сведению. Извините.



Ок.



Это да...
В статье рассказывают про волшебный MAX4236, которому смещения не требуется

Кстати, в продолжении темы о диоде...
Если VD1 вдруг все-таки диод (несмотря на то, что это неправильно), то как буфер (усилитель) будет влиять не петлю в этом случае? Ведь в петле источник тока, который и задает ток через последовательно включенные буфер и измерительный резистор.

Возвращаясь к первому варианту.

Используем для питания петли отдельный источник питания.
Теперь все правильно, только, видимо, получается недешевое решение
Кстати, вместо AC/DC для питания петли можно использовать DC/DC изолированный.

Смещение у него внутри скорее всего. Даташит не смотрел.
Я это собственно уже описал ранее в сообщении 31.
Для одного измерительного канала гальваническая развязка не требуется. Соответственно схему измерения можно запитать от этого же источника.
Для лучшего понимания и осознания вы пальчиком или карандашом поводите по схеме, следуя пути протекания тока, так гораздо понятнее

Не совсем понял написанного. На свежую голову перечитать надо будет...



Еще один вариант.

А если объединить V1 и V2.

Уважаемые, можно вопрос немного в сторону?
Подскажите схемку - нужен более-менее термостабильный (до 5%) генератор тока, 5-10мА (устанавливается один раз резистором) для питания лазерного диода.
Проблема в том, что питание 3в, из которых 2в - на диоде. Пока все мои варианты дают под 10% в диапазоне -10-+50С.
Желательно, но необязательно, чтобы одной ногой сидел на земле или на +3в.

Почему не слепить по классической схеме с ИОН, операционникие и транзисторе с резистором в эмиттере (резистор взять с приемлемым ТКС)? Вольта должно для транзистора хватить - на резисторе можно совсем немножко оставить - сотни милливольт будет достаточно.

В итоге так и сделал.

Это слишком просто
Вы имеете в виду вариант из поста 23 (первый рисунок)?
Может я опять чего-то не учел, но, если сделать согласно этому рисунку, то у нас образуется две земляные петли:
1. Измеритель - Плата 2 - Источник.
2. Измеритель - Плата 2 - Плата 1 - Источник.

Наверное я неудачно выразился. От одного источника питать датчик, буфер и АЦП.

Да хоть десять петель! У нас, например, в приборе учета до 14 токовых каналов питаются от одного канала ИП. Это ведь потребители тока от источника питания, а не от токовой петли. А вас интересует только цепь протекания тока через датчик и измерительный шунт. Именно в этой цепи (ИП - датчик с выходом 4-20мА - измерительный шунт - ИП) не должно быть ответвлений. А что там включено впараллель этой цепи непосредственно к выходу ИП это уже дело... нет даже не второе ... это дело десятое. Главное чтобы источник тянул всех подключенных потребителей и не давал просадки напряжения при пиковых нагрузках.
Я вам еще раз предлагаю поводить пальчиком или карандашом по схеме, нарисовав пути протекания токов. Освежить память законами Кирхгофа. Применить закон Ома. Понять, что резистор это есть "преобразователь тока в напряжение" Вспомнив мультфильм "38 попугаев", осознать, что измерить это значит сравнить с чем-либо (с эталоном, образцом). Ну и т.р.

Я знаю, что от одного источника можно питать несколько токовых петель и не только петель.
Вопрос в другом...



В данном вопросе я руководствуюсь этим и этим документами.
Согласно этому документу, при нарисованном мною соединении плат в приборе у нас получается более одного пути прохождения тока (дорисовал светло-синим). Потенциалы земель в точках могут быть разными, да и петлевые антенны образуются...
Гхм... хотя, глядя на новый рисунок, может, я и переборщил немного... нам ведь главное, чтобы через измерительный резистор весь ток протекал, а как уж ток течет после измерительного резистора - неважно. Т. е., не должно быть ответвлений между датчиком и измерителем (цепь минус датчика и плюс измерителя).
Прав?



Это само собой разумеется...



Да чем я только уже не водил по этой схеме...

Но здесь так и сделано.
Буфер и АЦП как раз в квадратике "Измер.", т. е. в измерителе. Датчик и измеритель запитаны от одного отдельного источника.
А измеритель по SPI связан с платой №2.
Без развязки, но с дополнительным источником.

Не то написал...

О! наконец-то наступило состояние просветления!
На последнем рисунке из сообщения 46 очень важно подключение общего провода к разным точкам схемы. Опять же должно выполняться условие: через цепь ИП-датчик 4-20мА-измерительный шунт-ИП не должны протекать другие токи. Посему провода питания, подключаемые к ИП должны представлять из себя "звезду" по типу той, что нарисована в предыдущем сообщении (где питания выделены красным и синим).

Анализируем рисунок из поста 46. Не совсем понимаю.
Не должны протекать другие токи во всей замкнутой петле (красным цветом нарисована)?
Как я понял, других токов не должно быть только в ветви датчик-шунт, чтобы весь ток, задаваемый датчиком (источником тока) проходил через шунт.
Или Вы имеет в виду, что общие участки проводов (от плюса и минуса источника), по которым протекают два тока (ток петли и ток питания измерителя) оказывают весьма негативное влияние на измерения из-за возможного падения напряжения на них?
Т. е., это аналогично использованию двухпроводного или четырехпроводного подключения, допустим, платинового терморезистора?



Рисунок ниже удовлетворяет этому требованию?

Кстати, имеет ли смысл городить активный фильтр или достаточно обычной RC-цепи?
Вообще, исходя из чего выбирать полосу фильтра в данном случае?

По точности моего датчика (10 бар) еще вопрос. В документации как-то расплывчато сказано...
Как я понял <= 2% от 10 бар?

Почти. Следует уточнить допустимые диапазоны синфазных напряжений вашего "буфера" и АЦП.
Нет. А вот защиту от перенапряжение (вследствие замыкания датчика при монтаже) и ЭМИ (микросекундные и наносекундные помехи) - стоит.
Исходя из полосы полезного сигнала от датчика.