Унифицированные сигналы

    Нормирующие преобразователи решают еще одну очень важную задачу.

    Как было сказано выше, в промышленности применяется огромное разнообразие первичных преобразователей физико-химических величин, каждый из которых имеет свой выходной электрический сигнал. Чтобы избежать такого же разнообразия вторичных измерительных и регулирующих приборов, датчики оснащаются нормирующими преобразователями, которые преобразуют различные сигналы первичных преобразователей (термопар, термопреобразователей сопротивления, влажности, давления, веса, рН и проч.) в унифицированные сигналы постоянного тока или напряжения. Происходит нормирование и стандартизация сигналов связи.

    На функциональной схеме мы видим, как один многоканальный вторичный измерительный прибор, рассчитанный на один тип унифицированного сигнала, работает с датчиками различных физико-химических параметров.

    Если говорить более широко, унифицированные сигналы применяются для связи не только датчиков, но и других устройств промышленной автоматики: регистраторов, регуляторов, контроллеров, исполнительных механизмов и проч. Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011-80. Стандарт устанавливает допустимые диапазоны унифицированных сигналов, а также вводит ограничения на величину сопротивления источников и приемников этих сигналов.

    Среди стандартных сигналов тока и напряжения наиболее удобным и популярным является токовый сигнал 4-20 мА. Причины этого в том, что он наилучшим образом решает названные выше проблемы, связанные с передачей сигналов от удаленных датчиков к вторичным измерительным приборам.

    Сигналы первичных преобразователей, как правило, очень малы. Например, сигналы термопар обычно меньше 50 мВ. В промышленных условиях сильные электромагнитные помехи могут создавать паразитные сигналы, в сотни и тысячи раз превышающие полезные. Сильные токовые сигналы уровня 4-20 мА работают на низкоомную нагрузку, в результате они меньше подвержены такому влиянию.

    Для передачи токовых сигналов можно использовать соединительные провода, более дешевые по сравнению, например, с компенсационными. При этом требования к величине их сопротивления также могут быть снижены.

    Поясним сказанное. Нормирующий преобразователь, который формирует токовый сигнал 4-20 мА, является так называемым генератором тока – источником стабильного тока с очень большим выходным сопротивлением: r>>R_ш, R_пр, где r – дифференциальное выходное сопротивления нормирующего преобразователя, R_ш, R_пр – соответственно сопротивления шунта в измерительном приборе и соединительных проводов.

    Поскольку величина тока I не зависит от сопротивления нагрузки, а V_изм = I • R_ш, то сопротивление проводов не влияет на результат измерения. Для оценки можно принять, что дополнительная относительная погрешность, связанная с влиянием сопротивления нагрузки (Rпр + Rш), равна

δ= (R_пр + R_ш)/ (r + R_пр + R_ш) (R_пр + R_ш)/ r.

Для характерных значений r=1МОм, R_пр=500 Ом, R_ш=50 Ом, имеем δ<0,06%.

С другой стороны, в такой высокоомной цепи источник электромагнитных помех E_эм не в состоянии создать сколько-нибудь заметное по сравнению с полезным сигналом V_изм напряжение на низкоомном шунте R_ш. Напряжение помехи, измеренное прибором, будет равно:

V_п  = E_эм • (R_ш / r).

При Eэм = 1 В, напряжение помехи будет составлять V_п = 50 мкВ. Полезный сигнал при I = 20 мА имеет величину 1В. Таким образом, отношение помехи к полезному сигналу имеет порядок 10-4, а величина (r/R_ш) показывает степень подавления электромагнитных помех.
Нетрудно показать, что при работе с сигналами напряжения сигнал помехи V_п практически равен E_эм. Это демонстрирует преимущество токовых сигналов при работе в условиях сильных электромагнитных помех по сравнению с сигналами напряжения.

    В заключение отметим, при работе с токовым сигналом 4-20 мА легко обнаружить обрыв линии связи – ток будет равен нулю, т.е. выходить за возможные пределы. Обрыв в цепи с сигналом 0-5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, считается допустимым. Для обнаружения обрыва в цепях с унифицированными сигналами напряжения (0-1В или 0-10В) приходится применять специальные схемотехнические решения, например, «подтяжку» более высоким напряжением через высокоомный резистор.