Устройство и работа датчика
Датчик состоит из сенсора и электронного преобразователя.
Сенсор состоит из измерительного блока и платы АЦП. Давление подается в камеру измерительного блока, преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сигнала.
Электронный преобразователь преобразует электрический сигнал в соответствующий выходной сигнал.
Схема датчиков моделей 150TG, 150ТА представлена на рисунке 9.
В измерительных блоках моделей 150TG, 150ТА используется тензорезистивный тензомодуль на кремниевой подложке. Чувствительным элементом тензомодуля является пластина 1 из кремния с пленочными тензорезисторами (структура КНК).
Давление через разделительную мембрану 2 и разделительную жидкость 3 передается на чувствительный элемент тензомодуля. Воздействие давления преобразуется в деформацию чувствительного элемента, вызывая при этом изменение электрического сопротивления его тензорезисторов и разбаланс мостовой схемы. Электрический сигнал, образующийся при разбалансе мостовой схемы, измеряется АЦП и подается в электронный преобразователь.
В модели 150ТА полость над чувствительным элементом вакуумирована и герметизирована.
Канал преобразования сигнала измерительного блока (рисунок 10) функционально состоит из АЦП, блока памяти АЦП, микроконтроллера с блоком памяти, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), стабилизатора напряжения, фильтра радиопомех, блока защиты от переходных процессов, блока регулировки и установки параметров, HART-модема (для некоторых моделей датчиков). Кроме того, в электронные преобразователи входит ЖКИ–индикатор. Конструктивно АЦП, блок памяти АЦП размещаются на плате АЦП, которая установлена в сенсоре.
Остальные элементы функциональной схемы размещаются в корпусе электронного преобразователя.
Рисунок 9 – Схема датчика моделей 150 TG, 150 TA
Плата АЦП принимает аналоговые сигналы измерительного блока, пропорциональные входной измеряемой величине (давлению) (Uр) и температуре (Ut), и преобразует их в цифровые коды. Энергонезависимая память предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристик сенсора и других данных о сенсоре.
Микроконтроллер, установленный на микропроцессорной плате, принимает цифровые сигналы с платы АЦП вместе с коэффициентами коррекции, производит коррекцию и линеаризацию характеристики сенсора, вычисляет скорректированное значение выходного сигнала датчика и передаёт его в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой сигнал, поступающий с микроконтроллера, в выходной аналоговый токовый сигнал. HART-модем, установленный на микропроцессорной плате, предназначен для выделения HART-сигнала из токовой петли 4-20 мА и преобразования его в стандартный цифровой сигнал, а также для осуществления обратной операции - преобразования цифрового сигнала в HART-сигнал и замешивание его в токовую петлю.
Блок регулирования и установки параметров предназначен для изменения параметров датчика. Элементами настройки являются кнопочные переключатели (рисунок 11), расположенные под крышкой.
При помощи кнопочных переключателей блока управления и регулирования параметров и цифрового индикатора можно работать с датчиком в следующих режимах:
ü контроль измеряемого давления;
ü контроль и настройка параметров;
ü калибровка датчика.
Рисунок 11 – Расположение элементов настройки датчика
Параметры и символы режимов настроек датчика отображаются на дисплее индикатора. Таблицы соответствия режимов настройки символам, отображаемым на индикаторе, приведены в паспорте датчика.
В датчиках с кодом выходного сигнала А настройка датчиков может осуществляется по цифровому каналу связи.
Для контроля, настройки параметров, выбора режимов работы и калибровки датчиков при помощи кнопочных переключателей блока управления и регулирования параметров используется индикаторное устройство датчика.
Дисплей индикатора имеет три строки: графическую, матричную и цифровую 4,5 - разрядную.
На дисплее индикатора датчика или на дисплее ВИ или HART-коммуникатора в режиме измерения давления отображается величина измеряемого давления в цифровом виде в установленных при настройке единицах измерения или в процентах от диапазона изменения выходного сигнала.
При установлении в датчике процентов от диапазона изменения выходного сигнала в режиме измерения на дисплее индикатора каждые 6 с выводится поочередно выходные значения либо в процентах от диапазона изменения выходного сигнала либо в физических единицах.
При включении и периодически в процессе измерения давления датчик выполняет диагностику своего состояния. При включении питания в датчике автоматически проверяется:
ü состояние микропроцессора;
ü наличие связи с платой АЦП;
ü состояние энергонезависимой памяти платы АЦП и платы процессора.
Самодиагностика выполняется во время подготовки процессора датчика к работе (примерно 2 с после включения питания датчика). Во время самодиагностики устанавливается выходной ток и индикатор высвечивает все свои сегменты в течение 180 мс, через 500 мс все сегменты гаснут, на индикаторе формируется сообщение «ТЕСТ» и на цифровом поле отображается число «0000».
По окончании процесса запуска процессора при исправном состоянии на выходе датчика устанавливается ток, соответствующий измеренному давлению (на индикаторе - значение давления или символы исправного состояния).
При обнаружении неисправности на выходе датчика значение тока сохраняется на уровне, соответствующем неисправности (менее 3,76 или более 22 мА), а на индикаторе появляются символы неисправного состояния.
В процессе измерения давления программа датчика периодически (1 раз за 5 мин) проверяет наличие связи с АЦП и исправность сенсора. При обнаружении неисправности устанавливаются соответствующие ей выходной ток и символы на цифровом индикаторе. Время установления сигнала неисправности не превышает 200 мс при времени демпфирования 0,045 с.
При прерывании питания датчика на время не более 20 мс в датчике сохраняется режим измерения давления, т.е. не происходит перезагрузка процессора датчика, показание индикатора соответствует измеряемому давлению. Токовый выходной сигнал датчика во время прерывания питания отсутствует и устанавливается в соответствии с измеряемым давлением не позднее, чем через 5 мс после восстановления питания датчика.
Электрическая схема электронного преобразователя позволяет осуществлять контроль выходного токового сигнала без разрыва сигнальной цепи при помощи миллиамперметра, подключенного к клеммам тест «+» и «-» клеммной колодки. Погрешность тестирования выходного сигнала не превышает минус 0,1% от диапазона изменения выходного сигнала.
Возможные схемы подключения датчика к системе управления приведены на рисунке 12. Коммуникатор и HART-модем могут быть подключены к любой точке цепи или клеммам 1 и 2 любого датчика. Сигнальная цепь должна иметь сопротивление не менее 250 Ом.