Датчики веса аналоговые и цифровые. Что лучше применять в промышленных весах?


Важно при проектировании промышленных весов правильно выбрать датчик веса (ДВ) и весоизмерительный прибор, так как они должны максимально соответствовать поставленной задаче.

 

Учитывают следующие показатели:

•    Надёжность датчика веса и весоизмерительного прибора;

•    Диагностирование отказов;

•    Защита от помех;

•    Количество и частота измерений в секунду (свойства  измерительного  канала);

•    Допустимая максимальная длина  кабеля  между датчиком веса и весоизмерительным прибором;

•    Взаимозаменяемость  элементов и деталей (от одного производителя или от  разных  производителей);

•    Синхронность (одновременность) измерений разделённых каналов;

•    Себестоимость затрат на изготовление и эксплуатацию изделий  (в основном - интегральная).

 

Исходя из специфики применения промышленных весов, при поставленной конкретной задаче некоторые вышеперечисленные показатели  более или менее важны.

 

Цель статьи - дать анализ преимуществ и недостатков весоизмерительных каналов при использовании аналоговых или цифровых датчиков веса.

 

 

Аналоговые  датчики

 

Тензометрический   датчик, имеющий аналоговый  выход - металлическое   тело, на которое наклеены тензорезисторы. Под воздействием силы тяготения происходит деформация металлического тела, что приводит к изменению R1, R2,   R3,   R4.  Выходное   напряжение   Uc изменяет дисбаланс   плечей   моста пропорционально деформации/нагрузке. Изменения приведены в формуле ниже на  рис. 1.

 

Датчики веса

 

Питание аналогового датчика осуществляется постоянным или переменным напряжением. Показатели уровня ошибок измерения с применением переменного напряжения тока немного ниже, чем при постоянном. Кроме того, применение постоянного напряжения более распространено, так как более простое в использовании и дешевле по стоимости. Возможно со временем ситуация изменится. Развитие микроэлектроники способствует снижению стоимости и делает более доступным использование специализированных микросхем, включая аналоговые и цифровые преобразователи с встроенными в них источниками переменного напряжения тока.

Как правило, в промышленных весах применяется несколько датчиков веса - три и более. В случае применения аналоговых датчиков, сигналы, полученные от них, суммируются в соединительном коробе. Пример подключения к промышленным весам трёх датчиков по четырёх проводной схеме представлен на рис. 2.

Датчики веса

 

В промышленных весах с применением аналоговых датчиков используется также мультиплексирование  сигналов  датчиков веса, при этом к весоизмерительному прибору датчики подключаются поочерёдно через мультиплексор. Применение данного метода обеспечивает более удобную настройку и калибровку, диагностирование загрузки каждого датчика. Но этот метод имеет и минусы - нарушается синхронность и одновременность производимых измерений, что не всегда допустимо при быстро изменяющихся нагрузках и деформациях. Например, при использовании промышленных весов в движении.

От суммарного сопротивления датчиков веса, подключённых к соединительному коробу, и характеристики нагрузки прибора зависит допустимое количество подключаемых датчиков. Например, если к прибору рекомендуется подключать не более 8 датчиков веса с суммарным сопротивлением 350 Ом - минимальное допустимое сопротивление нагрузки весоизмерительного прибора составит 43,75 Ом (350/8). В том случае, если в этом же  весоизмерительном приборе подключаются датчики с сопротивлением 700 Ом, то рекомендуется использовать в количестве не более 16 и т.д. Как правило, при изготовлении любых промышленных весов достаточно использовать 8-16 датчиков.

Допустимая максимальная длина  кабеля  между соединительным коробом с датчиками веса и весоизмерительным прибором напрямую зависит от сечения кабеля. Кабель длиной до 1000 м должен иметь сечение проводника 2 мм2. Рекомендуется при длине кабеля свыше 30 м применять шести проводную схему подключения, что компенсирует падение напряжения тока на соединительном кабеле.

Схема обработки сигнала в весоизмерительном приборе при применении суммарного или мультиплексированного способа соединения представлена на рис. 3.

Схема: Датчики веса

 

 

Цифровые  датчики

 

Тензометрический   датчик, имеющий  цифровой выход - аналоговый   датчик, в корпус которого помещены тензорезисторы и электронная схема, что способствует усилению, фильтрации и оцифровке аналогового сигнала, который затем передаётся на принимающее устройство (см. рис. 3).

Цифровой сигнал передаётся по последовательному интерфейсу. На физическом уровне это обычно RS-485 (витая пара). Наиболее часто используются контроллеры шины передачи сведений по протоколу  CAN,  BitBUS, ProfiBUS и  другие. Основные преимущества цифровых датчиков веса - упрощена процедура калибровки и прямое диагностирование отказов. Подключение цифровых датчиков веса осуществляется к общей шине индикатора веса, который обеспечивает визуализацию результатов измерения и является «мастером     шины».

Допустимое количество цифровых датчиков веса, подключаемых к общей шине индикатора, не должно быть выше её адресного пространства. Допустимая максимальная длина кабеля от соединительного короба до индикатора зависит напрямую от скорости передачи полученных сведений по шине. Например, если скорость передачи составляет 300 Кбит/сек, то длина кабеля должна быть не более 300 м.

Данный факт следует учитывать при измерении в движении и при быстро изменяющихся нагрузках, так как скорость аналогово-цифровой передачи не должна превышать 20 Гц, что недостаточно. В связи с этим, применение цифровых датчиков веса в промышленные весах и устройствах дозирования имеет ограничения.

Кроме того, при применении цифровых датчиков веса при изменении  нагрузок возникает проблема одновременного измерения и синхронизации, что дополнительно ухудшает частотные свойства измерительного канала. Производителями рекламируется высокая защита от помех при применении цифровых датчиков веса, что не соответствует действительности. Помехи при измерении ухудшают работу шины и приводят к частичной потере посылаемой прибором информации. При повторном запросе увеличивается время на получение информации и, кроме того, это может привести к сбою синхронности и одновременности измерений разделённых каналов. Учитывая указанные выше ограничения, цифровые датчики веса рекомендуется применять в промышленных весах при статическом взвешивании и медленно меняющихся нагрузках.

 

 

Таблица  сравнения  аналоговых  и  цифровых  датчиков  веса.

 

Параметр

Аналоговый датчик

Цифровой датчик

Надежность

Зависит от класса промышленной защиты ДВ. Надежность сопоставима с надежностью цифровых ДВ, но несколько выше.

Зависит от класса промышленной защиты ДВ. Надежность сопоставима с надежностью аналоговых ДВ, но ниже, из-за дополнительного электронного блока.

Диагностика каждого ДВ

Диагностика возможна при мультиплексировании сигналов ДВ.

Естественный механизм диагностики ДВ.

Помехозащищенность

Сопоставима с цифровыми ДВ при использовании экранированного кабеля.

Сопоставима с аналоговыми ДВ.

Максимальная длина кабеля мд ДВ и ВП

До 1000 м.

До 300 м.

Реальная частота оцифровки сигнала

До 1000 Гц.

До 20 Гц.

Взаимозаменяемость ВП и ДВ разных производителей

Высокая. Стандартизированные ВП и ДВ разных производителей.

Отсутствует. Замена на другого производителя невозможна.

Синхронизация сигналов ДВ

Естественная синхронизация

Низкая. При помехах возможно нарушение синхронизации.

Стоимость

Низкая.

Высокая.

 

Вывод. Аналоговые датчики веса не имеют ограничений по использованию. Цифровые датчики веса использовать более целесообразно при статическом взвешивании.

Сопровождение сайта: http://nevsite.ru