Подключение аналоговых датчиков с выходом типа "ток" к модулям MegaD (инструкция)

14/02/2017 15:33:13

Внимание! Данная инструкция по подключению датчиков с выходным сигналом 4-20мА к АЦП разъемам модулей "MegaD" рассчитана на подготовленных пользователей.
Пожалуйста, будьте внимательны при подключении датчиков подобного типа, так как неправильное подключение может вывести из строя порт контроллера.

В промышленной электронике и системах сигнализации часто применяются аналоговые датчики с выходным сигналом типа "ток" (например, 4-20мА). В частности, датчики давления. От пользователей модулей "MegaD" часто приходят вопросы, можно ли подключить такие датчики к контроллеру и как это сделать.
Модуль "MegaD" напрямую измерять ток не может, но может измерять напряжение от 0 до напряжения питания микроконтроллера, равного +3,3 Вольта. Значит, нужно преобразовать ток датчика в напряжение. Как это сделать? Да очень просто!
Наверное, многие  помнят из школьного курса физики, что есть такой закон – Ома.  Это основа всей электротехники и электроники. Он гласит: "Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи" и записывается следующей формулой:

I = U/R

где I – ток в Амперах,    
U – напряжение в Вольтах,
R – сопротивление в Омах.

Датчик с выходным сигналом типа "ток" (4-20мА) представляет собой некое устройство, включаемое в цепь, состоящую из источника постоянного напряжения, собственно датчика и сопротивления нагрузки. При изменении измеряемого параметра на датчик его внутреннее сопротивление изменяется, что вызывает изменение тока, проходящего через сопротивление нагрузки и, соответственно, изменение падения напряжения на нём, равное:
 

U= I*R

Это напряжение мы и будем измерять.
Для примера возьмём датчик давления APZ2410. Его напряжение питания от +12 до +36 Вольт, сопротивление нагрузки не более 1000 Ом и выходной сигнал – ток от 4 до 20 мА. Подключение двухпроводное, его схема – на чертеже:

Измерять будем падение напряжения на резисторе R1, подключив его к одному из аналого-цифровых преобразователей "MegaD". Наиболее удобно это сделать, подключив потенциальный вывод резистора к пину 1, а земляной – к пину 3 штыревого разъёма ХР3 или ХР4 на модуле "MegaD-328", либо ХР5 или ХР6 на модуле "MegaD-2561". Резистор нужно располагать как можно ближе к модулю "MegaD" и соединять его с датчиком экранированным кабелем. +12 В проще всего взять от блока, питающего  модуль.

Теперь рассчитаем ориентировочное сопротивление резистора R1. Максимальный выходной сигнал датчика при максимальном воздействии измеряемого параметра равен 20 мА. Максимальное напряжение, измеряемое АЦП, 3,3 В.


R=U/I=3,3 В / 0,02 А = 165 Ом.
 

Почему это ориентировочное сопротивление? Хотя бы потому, что теория – теорией, а практика может вносить какие-то свои коррективы. Напряжение питания микроконтроллера может несколько отличаться у разных экземпляров модуля, это изменит верхний предел измерения. Также, не всегда необходимо использовать весь диапазон измерения датчика. Пусть датчик может измерять давление до 4 бар, а вам известно, что давления свыше 3 бар у вас не будет. Если взять сопротивление, рассчитанное по максимальному току датчика при максимальном давлении, то диапазон преобразования АЦП будет использован только на ¾, а это снижает точность. Поэтому, если это возможно, нужно подать на датчик максимальное реальное давление и подобрать резистор R1 так, чтобы АЦП выдавал максимально возможный или удобный для дальнейшей обработки результат преобразования. Проще всего использовать при этом переменный или подстроечный резистор. Конечно, так делать не обязательно.
    Входы АЦП достаточно высокоомны, и помехи, наводимые на соединительный кабель, могут вызывать нестабильность показаний АЦП. Для минимизации этого служат конденсаторы С1 и С2, которые должны подключаться непосредственно или максимально близко к резистору. Возможно, они и не понадобятся, это всё зависит от конкретных условий на месте. А, возможно, их будет недостаточно для стабильных показаний АЦП. Тогда придётся применить программное усреднение нескольких последовательных результатов измерения.
    На основе вышеуказанных принципов нетрудно разработать схему подключения к АЦП "MegaD" и рассчитать её параметры и для других типов аналоговых датчиков и устройств, которые в силу своих параметров (например, напряжение на выходе более 3,3В, не могут быть подключены к контроллеру напрямую без дополнительной обвязки).

Не исключено, что для подключения подобного рода датчиков в будущем будет специально изготовлена плата согласования.

 

Подключение аналоговых датчиков с выходом типа "напряжение"

В том случае, если на выходе датчика напряжение до 3,3В, его можно подключать к АЦП входу без всякого согласования. Но если напряжение на выходе более 3,3В, тогда необходимо ограничить выходное напряжение резистором. Схема подключения таких датчиков представлена ниже.

Конденсатор - элемент рекомендуемый, но не обязательный.

 

Автор: Andrey_B
Любое использование материалов сайта возможно только с разрешения автора и с обязательным указанием источника.



Добавить комментарий:



Сортировка комментариев: Последние сверху | Первые сверху

2018-09-18 16:38:36 | Алексей
Илья, штатно это решается либо выносом инверторов за пределы коттеджа и объединением их в один пул, либо созданием сети постоянного тока между коттеджами, объединяющей поля СБ. В плохом варианте, если есть избыток в локальной сети коттеджа - открывается доступ к локальным СБ соседям (вернее, их инверторам). В хорошем - поле батарей всегда общее, а лимитируется потребление. В целом, все решения индивидуального типа не способны заметно сократить потери, помогает только полное объединение отдельных систем в более крупную с лимитированием потребителей. Сделать "IP удлинитель токового датчика" технически возможно, но заметной практической пользы не имеет.


2018-09-16 18:16:49 | Илья
Написал вопрос, прочитал и понял, что в этой схеме есть одна проблема - это грубое бесступенчатое ограничение генерации "без обратной связи", когда при излишке генерации например в 500Вт, будет "рубиться" генерация излишков в 1-8кВт конкретно взятого коттеджа, которые в этот момент уходили бы на другой/другие коттедж:((.
Есть вариант через стандартное токовое кольцо сетевого инвертора "пропускать" ток нужной полярности/уровня, чтобы как-то "модулировать" все это дело?


2018-09-16 17:51:04 | Илья
Попутно объясню зачем все это нужно.
У каждого коттеджа своё поле солнечных панелей, и своя нагрузка, которая смещена по времени, и вот задача в том, чтобы излишки генерации одного коттеджа могли уйти на потребителей другого коттеджа, но при этом, в случае высокой разности генерация/потребление - излишки не уходили в сторону энергетиков.


2018-09-16 17:45:24 | Илья
Давайте я немного упрощу задачу.
Допустим у нас три сетевых инвертора SOFAR, на трёх коттеджах (небольшой посёлок), при этом в этом посёлке стоит один расчётный трёхфазный счётчик, по которому ведутся расчеты с энергетиками. Собственно задача - пресечь отдачу излишков генерации именно со стороны этого счетчика. И именно на этом счётчике на каждую фазу ставим токовое кольцо с Вашим контроллером, тандем которых должен "ловить" событие - "излишки пошли в сторону энергетиков".
И вот мысль в следующем.
На каждом сетевом инверторе SOFAR ставится своё токовое кольце "за счетчиком", чтобы этот инвертор видел "локальные" излишки именно своей генерации, которые уходят за пределы этого коттеджа.
А ваш контролёр, через контакте реле ставиться в "разрыв" этого токового кольца и сетевого инвертора.
А работать это все должно следующим образом:
Когда "головной" контроллер, который стоит на "главном" трёхфазном вводе, НЕ РЕГИСТРИРУЕТ передачу излишковв Сеть, он отдаёт команду "локальным" контроллерам разовать цепь между сетевым инвертором и его токовым кольцом, что даёт возможность сетевому инвертору работать без ограничений.
Когда же головной контролёр начинает "регистрировать" на главном вводе передачу излишков в Сеть - он отдаёт команду "локальным" контроллерам на коттеджах "замкнуть" цепь между сетевым инвертором и его токовым кольцом, в результате чего, сетевой инвертор регистрирует свою "переработку" и автоматически снижает генерацию.
Возможна такая схема на ваших контроллерах?


2018-08-20 12:51:28 | Andrey_B
Илья, не имея описанного солнечного инвертора, очень сложно что-то сказать чисто умозрительно и теоретически. Вероятно, согласовать инвертор и контроллер можно, но нужно детально изучать, куда, что и как инвертор выводит.


2018-08-20 09:37:45 | Илья
Добрый день!
Такой вопрос..
Имеет сетевой солнечный инвертор инвертор SOFAR, имеется к нему токовое кольцо, которое определяет направление тока, то есть - если электричество "побежало" в сеть - сетевой инвертор видит это через токовое кольцо (я так понял - у токового кольца меняется полярность генерируемого напряжения).
Собственно вопрос - можно ли через связку Вашего контроллер "MegaD + токовый датчик" это самое "событие" ловить и передавать на другой такой же контроллер, который будет генерировать такой же сигнал на своем выходе (и на входе в сетевой инвертор)?
Основная задача - встать в разрыв токового кольца сетевого инвертора стэком TCPIP для увеличения дистанции этой связки с использованием IP сетей.


2017-04-25 08:48:18 | Ruslan
Владимир, спасибо за предложение. Интересный вариант.


2017-04-24 22:46:11 | Владимир
Посмотрите ACS712 развязка до 2кВ.


2017-04-20 22:37:23 | Алексей
Не надо там на каталог смотреть. Они мотают на заказ что угодно и в каком угодно виде. А так да, примерно так и подключается. Измерить ток не получится, но детектировать вклчение/выключение техники - вполне, обычно этого достаточно.


2017-04-20 14:42:48 | Ruslan
Алексей, спасибо за ответ. Только на сайте упомянутого Вами предприятия не нашел датчик тока 5000:1. Может быть там он обозначен как "ТП03С-200А-00-3/0(ок)" (Датчик тока на печ. плату с логическим выходом, открытый сток, ток уставки 0.3-200а, развязка 10 кВ)? Правильно ли я понимаю, что любая из жил провода, ведущих к нагрузке, помещается в отверстие датчика, сам датчик тока подключается к U-sensor, а U-sensor ко входу Меги?


2017-04-20 13:28:07 | Алексей
Руслан, собственно, вам нужен U-sensor и датчик тока 5000:1 с длинными выводами.
Одно заказывается на этом сайте, другое в "аисте57" г. Орёл.
И всё. Будет срабатывать на нагрузке большей 250 ватт.


2017-04-19 16:18:39 | Ruslan
А планируется ли изготовить (и предложить "страждущим") датчик тока, чтобы любой "чайник" мог безопасно подключать его к MegaD? Уж очень в "умном доме" важно знать, работает ли фактически телевизор, кондиционер, стиральная машина и т.п. (хоть они и питаются от переменного тока)...