نکات مهم درباره منبع تغذیه و خروجی سنسور فشار

منبع تغذیه ولتاژ

کلیه  تجهیزات الکترونیکی نیاز به ولتاژ تغذیه  دارد که این ولتاژ می تواند DC یا AC باشد.
مقدار این ولتاژ در هر تجهیزی از طرف کمپانی سازنده به مصرف کننده اعلام میگردد.
در ورودی سنسورهای فشار عموما از منبع ولتاژ DC برای تغذیه استفاده می گردد که مقدار آن با توجه به نوع سنسور و خروجی آن به صورت بازه های متفاوت بیان می شود. به طور مثال  :

۱۲ – ۳۲ VDC

حفاظت در برابر ولتاژ معکوس (Reverse Voltage Protection) :

مداری است که از آسیب دیدن منبع تغذیه و تجهیزات الکترونیکی در برابر اتصال معکوس ولتاژ محافظت می کند.
به طور مثال اگر یک ترانسمیتر فشار دارای قابلیت Reverse Voltage باشد و از منبع تغذیه( VDC (12-32 استفاده می کند این بدین معنی است که ترانسمیتر در برابر اتصال معکوس به مثبت و منفی منبع تغذیه در رنج ۱۲ – ۳۲ VDC مقاوم است و هیچ مشکلی برای آن پیش نخواهد آمد مگر اینکه به یک منبع تغذیه AC متصل شود.

خروجی سنسور فشار (Output signal) :

تا به حال در مورد خروجی‌های سنسورها فکر کرده‌اید؟ چرا انواع بسیار مختلفی وجود دارد که از بین آن‌ها می‌توان انتخاب کرد؟ چرا فقط یک نوع خروجی استانداردسازی نشده است که همان یک نوع کافی باشد؟

بیایید در این مطلب، محبوب‌ترین انواع خروجی‌های سنسور را به طور خلاصه با هم بررسی کنیم. هر نوع، نقاط قوت و ضعفی دارد که در موقعیت‌های خاص مزایایی دارد. اگر بتوانید این ویژگی‌ها را با کاربرد خود تطبیق دهید، به حداکثر عملکرد سنسور خود دست پیدا می‌کنید.

خروجی سنسور فشار یک سیگنال الکتریکی آنالوگ جریانی یا ولتاژی می باشد.
 معمولا رنج سیگنال خروجی ترانسمیتر ها به صورت زیر می باشد : 

۰ – ۲٫۵ VDC
۰٫۵ – ۴٫۵ VDC
۰ – ۵ VDC
۰ – ۱۰ VDC
۰ – ۲۰ mA
۴ – ۲۰ mA

سیگنال خروجی جریانی: ۴ تا ۲۰ میلی آمپر

در اتوماسیون صنعتی و به خصوص در حوزه‌ی سنسورهای فشار، سیگنال جریانی ۴ … ۲۰ mA رایج‌ترین سیگنال استفاده شده برای انتقال آنالوگ مقادیر است. استفاده‌ی فراوان از این سیگنال، به خاطر کار کردن ساده با آن و به خصوص مقاومت آن در برابر تداخل است.

یک سیگنال جریانی، نسبت به سیگنال ولتاژی مقاومت بیشتری در برابر تداخل امواج الکترومغناطیس دارد، به این دلیل که تداخلات الکترومغناطیسی به شکل سیگنال‌های ولتاژی به خط سیگنال وارد می‌شود و در مقاومت ورودی گیرنده، باعث تغییراتی بسیار کوچک در جریان می‌شود.

سیگنال ۴ … ۲۰ mA استفاده‌ی بسیار فراوانی در انتقال مقادیری همچون دما و فشار دارد. به طور مثال، بازه‌ی فشار ۰ … ۱۰ بار یک ترانسمیتر فشار در فرآیند تولید، توسط قطعات الکترونیکی داخل ترانسمیتر به سیگنال جریانی ۴ … ۲۰ mA تبدیل می‌شود.

از آن‌جایی که سیگنال جریانی ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر، دو سیمه است، نسبت به سیگنال‌هایی که به سه سیم نیاز دارند، ترجیح داده می‌شوند. چرا که در این صورت سیم‌بندی ترانسمیتر ساده‌تر است و سیم کمتری به کار می‌رود، همچنین تشخیص خطا در این نوع سیگنال ساده‌تر است. در این نوع سیگنال، با افت مقدار سیگنال جریانی به کمتر از ۳٫۸ میلی‌آمپر، قطعی سیم تشخیص داده شده و با بالاتر رفتن سیگنال از ۲۰٫۵ میلی‌آمپر، اتصال کوتاه در سنسور.

به طور مثال در اثر یک نقص الکترونیکی، تشخیص داده می‌شود (بر اساس NAMUR NE43). از سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپری در نسخه سه کنداکتوری هم استفاده می‌شود، اما تنها برای دستگاه‌هایی که به توان ورودی بالایی نیاز دارند.

مزایای ترانسمیتر های دارای سیگنال جریانی نسبت سیگنال ولتاژی :

• معمولا ترانسمیتر ها در فاصله دور تری نسبت به تجهیزات کنترلی قرار دارند، همچنین کابل های بلند دارای مقاومت بیشتری بوده و باعث افت ولتاژ سیگنال های ولتاژی می شوند در حالیکه چنین مشکلی در سیگنال های جریانی کمتر دیده میشود.
• سیگنال های جریانی نسبت به امواج الکترومغناطیسی و نویز تاثیر پذیری کمتری دارند.
• سیگنال های ولتاژی برای انتقال نیاز به سه سیم دارند در حالیکه سیگنال های جریانی به دو سیم نیاز دارند که در مسافت های طولانی سبب صرفه جویی در هزینه می شود.
• سیگنالهای جریانی انتخاب مناسب تری برای محیط های قابل اشتعال هستند.
• تنها به دو سیم بین سنسور و تغذیه/گیرنده نیاز است
• همچنین چون سیگنالِ صفر (۴ mA) یک غیر صفر است، سیگنالِ ۰ mA نشانگر آن است که حلقه جریان شکسته شده، نه آنکه اندازه‌گیری صفر باشد. به این شکل، رفع خطای مدار ۴-۲۰ mA ساده‌تر می‌شود.

معایب

• تنها عیب بزرگ ۴-۲۰ mA برای سنسورها این است که هر سنسور برای اتصال به منبع تغذیه/گیرنده، نیاز به کابلی جداگانه دارد. برای سیستم‌های کنترل در ابعاد بزرگ، هر حلقه ۴-۲۰ mA تنها اطلاعات را در یک سمت ارسال می‌کند، از ابزار یا به ابزار.

چرا معمولا از استاندارد ۴ – ۲۰ mA استفاده می شود؟

۱٫ اگر خروجی ترانسمیتر ۰ mA باشد خیلی راحت می توان تشخیص داد که ترانسمیتر یا کابل های اتصال دچار مشکل شده است.
۲٫ اکثر تجهیزاتی الکترونیکی (نیمه رسانا) برای عملکرد خود حداقل به جریان ۳ mA نیاز دارند.

۳٫ قلب انسان در برابر حداکثر جریان mA 30 مقاوم است در واقع عبور جریان های بیشتر از این مقدار می تواند سبب برق گرفتکی و خطرات جانی شود.

در نتیجه باید یک استاندارد به نحوی تعیین می شد که درجه اول خطی باشد (مضربی از یکدیگر) و باعث سهولت در محاسبات شود و درجه دوم در محدود بازه ۳ – ۳۰ mA قرار داشته باشد.
با این شرایط دو گزینه ۴ – ۲۰ mA و ۵ – ۲۵ mA وجود دارد که با توجه به مسائل امنیتی و نزدیک بودن جریانmA 25 به جریان mA 30 و به دلیل سهولت بیشتر در محاسبات محدوده ۴ – ۲۰ mA به عنوان یک استاندارد برای اکثر تجهیزات در نظر گرفته شده است.

Voltage symbol   

 current symbol

تفاوت خروجی سنسور فشار ۴ تا ۲۰ میلی آمپر در تکنولوژی ۲-سیم و ۳-سیم در سنسورهای فشار

دقیقا تفاوت بین سیگنال خروجی ۴-۲۰ mA در تکنولوژی ۲-سیم و ۳-سیم چیست؟ بهترین جواب به این سوال از دیدگاه کاربر ارائه می‌شود: سیگنال خروجی در تکنولوژی ۲-سیم یعنی:

• سیم‌کشی کمتر مورد نیاز است.
• مقاومت بهتر EMC، چون تداخل‌ها را می‌توان بهتر فیلتر کرد
• مقاومت بهتر در برابر خطاهای سیم‌کشی

تنها مزیت تکنولوژی ۳-سیم این است که بارهای اُهمی بالاتر با آن شدنی است، مثلا لوپ جریانی را می‌توان با استفاده از یک ابزار اندازه‌گیری با امپدانس ورودی نسبتا بالا محقق کرد.

نتیجه‌گیری: به استثنای نیازمندی بار اُهمی بالا، ۴-۲۰ mA در تکنولوژی ۲-سیم مزایای قابل توجهی برای کاربرد دارد و با سیگنال‌های دیگر مثل ولتاژی ۰-۱۰ V در سنسور های فشار نیز همین مزایا و کاربرد صادق است.

سیگنال‌های خروجی ولتاژی برای سنسورهای فشار:

DC 0 … 10 V، DC 1 … 5 V، DC 1 … 10 V

علاوه بر سیگنال‌ جریانی، از سیگنال‌ ولتاژی ۰ … ۱۰ V و ۱ … ۵ V و ۱ … ۱۰ V در اتوماسیون صنعتی برای انتقال مقادیر اندازه‌گیری شده استفاده می‌شود.
مزیت سیگنال‌های جریانی، استفاده‌ی آسان و امکان شناسایی مشکلات با یک مولی‌متر ساده است. در سیگنال‌های ولتاژی، تداخلات الکترومغناطیسی می‌تواند به سادگی به خوانش اشتباه مقدار اندازه‌گیری شده یا سیگنال کنترلی منتهی شود، به همین دلیل از خطوط شیلددار برای این سیگنال‌ها استفاده می‌شود.

چطور کار می‌کند: اندازه‌گیری فیزیکی، گیج‌های پیزومقاومتی را تحت فشار یا تنش قرار می‌دهد، که این کار ولتاژ تغذیه شده را به ولتاژ خروجی متناسب تبدیل می‌کند. مشابه سنسورهای ۴-۲۰ mA، تا زمانی که ولتاژ تغذیه برای عملکرد سنسور کافی باشد، خروجی مستقل از نوسانات منبع عمل خواهد کرد.
در اغلب موارد، از سیگنال‌های ولتاژی ۰ … ۱۰ V و ۱ … ۵ V و ۱ … ۱۰ V به عنوان سیگنال ست‌پوینت موتورها استفاده می‌شود، البته سنسورهای فشار و دما با این خروجی‌های الکتریکی هم عرضه می‌شوند. مشابه سیگنال‌های جریانی، فشار واقعی در سنسور به مقدار ولتاژ تبدیل می‌شود و از طریق سه سیم مخابره می‌شود. سیگنال‌های ۱ … ۵ V و ۱ … ۱۰ V این مزیت را دارند که با تنظیم کردن یک مقدار صفر فعال ۱ ولتی، اتصال کوتاه را می‌توان در خط شناسایی کرد.

مزایا:

• از آنجایی که اندازه‌گیری ولتاژ ساده‌تر است – در واقع، جریان معمولا با استفاده از پروکسی ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود – ساخت سیستم‌های کنترل و گیرنده‌های سیگنال برای سنسورهای با خروجی ولتاژ ساده‌تر است.
• سنسورهای VDC عموما نسبت به سنسورهای جریان، مصرف برق کمتری دارند.
• تعداد بازه‌های موجود، باعث انعطاف‌پذیری در تطبیق خروجی سنسور با بازه ورودی مورد انتظار می‌شود

معایب:

• افت ولتاژ: از آنجایی که سیگنال سنسور ولتاژ است، افت ولتاژ در طول کابل از سنسور به گیرنده، مستقیما روی دقت و درستی مقدار اندازه‌گیری شده تاثیر می‌گذارد. بنابراین برای سنسورهای VDC باید به طول کابل توجه کرد.
• حساسیت به نویز: نویز نیز مستقیماً روی دقت و درستی مقدار اندازه‌گیری شده تاثیرگذار است. و در مقایسه با دو سیم مورد نیاز برای حلقه‌های ۴-۲۰ mA، سنسور VDC نیازمند چهار سیم است (دو سیم برای تغذیه ولتاژ و دو سیم برای ولتاژ خروجی).

خروجی سنسور فشار mV/V

برخلاف ۴-۲۰ mA و خروجی VDC، سیگنال‌های خروجی از سنسورهای mV/V مستقیما به سیگنال‌های ورودی وابسته هستند.

چطور کار می‌کند: همچون سنسورهای پیشین، اندازه‌گیری فیزیکی انجام شده، تاثیری متناسب روی سیگنال خروجی در یک سنسور mV/V دارد. اما سنسورهای mV/V مدارات جدا کننده (ایزوله کننده) سنسورهای ۴-۲۰ mA و VDC را ندارند. در نتیجه خروجی تحت تاثیر اندازه‌گیری فیزیکی و ولتاژ منبع است.

مزایا:

تکنولوژی mV/V ارزان است. تا همینجا متوجه شدیم که اندازه‌گیری ولتاژ ارزان‌قیمت‌تر از اندازه‌گیری جریان است؛ به این معادله، صرفه‌جویی در هزینه‌ها به خاطر استفاده از قطعات الکترونیکی ساده‌تر در سنسور را نیز اضافه کنید (بدون مدار ایزوله‌ساز خروجی) و در نتیجه یک سنسور mV/V با قطعات پیزومقاومتی مشابه یک سنسور ۴-۲۰ mA یا VDC، هزینه و قیمتی پایین‌تر خواهد داشت.

معایب:

سیگنال‌های تقویت نشده، بُرد کمی دارند و در برابر تداخل نویز آسیب‌پذیر هستند. ما توصیه می‌کنیم که فاصله بین سنسورهای mV/V و تجهیزات کنترل بیشتر ۹ متر نباشد.