تبدیل سیگنال های اطلاعاتی به جریان

آیا تابحال از خود پرسیده اید چرا بسیاری از سنسور های صنعتی دارای خروجی جریان هستند نه ولتاژ؟ این مقاله برای پاسخ دادن به این سوال است و نکاتی که باید مد نظر قرار گیرند را بیان میکند.
زمانی که در خانه تان مشغول آزمایش چیزی هستید به ندرت مقاومت مواد رسانا منجر به بروز مشکلاتی می شود. تنها زمانی ممکن است این اتفاق رخ دهد که از کابلی فرسوده یا یک برد بورد ارزان و بدرد نخور برای انجام آزمایش مورد نظرتان استفاده کرده باشید.

ولی در سیستم های صنعتی مقاومت های خطوط که غیر قابل پیش بینی هم هستند هر روزه رخ میدهد و وضعیتی را به وجود می آورند که باعث می شود تا به سیستم های آنالوگ که بر پایه خروجی ولتاژ هستند تا حد نهایی خود فشار وارد شود.
راه حل مقابله با این مشکل چیزی است که اصطلاحا حلقه های جریان نامیده می شود. در این روش به جای ولتاژ ، این جریان است که نشان دهنده سیگنال هایی است که باید منتقل شوند. شکل 1 نشان می دهد که چگونه تغییرات در مقدار جریان عبوری از یک سیم که ناشی از تغییر در کاهش ولتاژ در مقدار مقاومت سنسور Rsense است، هم از مقاومت داخلی منبع جریان Ri و هم از مقاومت ثابت بار RL (دستگاه اندازه گیر) مستقل می باشد ( در حالت ایده ال به مقدار بی نهایت). در این حالت افت ولتاژ در دو طرف دستگاه دقیقا متناسب با تغییرات جریان IQ است که توسط Rsense ایجاد شده است.

در کاربرد های صنعتی ما از این نوع حلقه های جریانی که جریانی در حد 4 تا 20 میلی آمپر ارائه میدهند، استفاده میکنیم. حداکثر مقاومت ورودی دستگاه سنجش ( تقویت کننده سنجش) را میتوان با استفاده از قانون اهم به راحتی محاسبه کرد. فرض کنید تقویت کننده سنسور مورد استفاده، دارای حداکثر ولتاژ خروجی نیم ولت کمتر از ولتاژ تغذیه باشد. اگر منبع تغذیه ما 5 ولتی باشد مقدار حداکثر مقاومتی که خواهیم داشت برابر با 225 اهم خواهد بود (RL=4.5V/20mA=220Ω). اگر مشخص شود که مقدار مقاومت کمتر از این مقدار است مشکلی وجود نخواهد داشت. به هر حال در عمل از ولتاژ هایی در حدود 24 ولت استفاده می شود.
سوالی که باقی می ماند این است که چرا مقدار استانه تحریک حداقل، 4 میلی آمپر است نه صفر میلی آمپر. این قضیه داستانی دارد که واقعاً رخ داده است . در یک تاسیسات صنعتی گروهی از توربین ها توسط یک سیستم کامپیوتری کنترل فرایند نظارت می شدند. یکی از کارمندان شرکت برق به طور تصادفی کابل انکودر ورودی که در آن زمان در حالت کم قرار داشت را جدا کرد. نتیجه این شد که کنترل کننده توربین دستور کارکرد با حداکثر توان را صادر کرد و توربین ها تا مرز نابودی پیش رفتند.
این واقعه که نزدیک بود به حادثه ای بزرگ تبدیل شود به این خاطر رخ داد که کنترل کننده، تجهیزاتی برای تشخیص خطای کابل نداشت. اگر مقدار جریان را 4 تا 20 میلی آمپر در نظر بگیریم این مشکل دیگر رخ نمی دهد زیرا هر مقدار کمتر از 4 میلی آمپری به معنای بروز خطا است و دستگاه خاموش می شود. از نقطه نظر فنی بکارگیری این استانه حداقل، کاملا منطقی و واضح است: هنگامی که جریانی اندازه گیری شد ، فقط یک مقدار ثابت جبرانی را به مقدار اندازه گیری شده اضافه میکنیم تا فرایند سنجش ادامه یابد.

بکارگیری با عناصر گسسته
حتی اگر یک حلقه جریان با تقویت کننده های عملیاتی هم ساخته شود ( که در عمل به ندرت اتفاق می افتد) باز هم این مدل برای موارد اولیه مفید است. اولین و مهمترین سوال این است که چگونه مقدار اندازه گیری شده را به زمین ارجاع می دهید. شکل 2، دو روش ممکن

را نشان می دهد. سمت چپ تصویر، مداری را نشان میدهد که دارای اتصال زمین در بیش از یک نقطه است. این مدار در عمل به سختی ممکن است دچار خطا شود. در شرایط آزمایشگاهی یک آزمایشگاه کوچک، پتانسیل زمین در همه نقاط کم و بیش یکسان است ولی در یک محیط صنعتی که به دلیل روشن و خاموش شدن دستگاه هایی که با جریان های بالا کار میکنند، شما همه نوع عامل تولید نویز برای پتانسیل زمین را میتوانید شاهد باشید، این روش جوابگو نیست. این نوسانات شدید میتواند سیگنال ها را دچار خطا و انحراف کنند. با این حال اگر هر عنصر در سیستم کنترل به نحوی تجهیز شده باشد که بتواند سیگنال های مختلف را اداره و کنترل کند ، پس قطعا میبایست این ابزار ها را فراهم آورد. بیاد داشته باشید که همه سنسور ها به منبع تغذیه نیاز ندارند. همچنین سنسور هایی هستند که یک منبع تغذیه بیرونی را تعدیل میکنند.

میتوانید در کتابی که نوشته J. Michael Jacob است مدار جالبی پیدا کنید. ترکیب موجود در تصویر 3 که بر مبنای یک افزاینده/کاهنده است، روشی بسیار موثر برای تبدیل ولتاژ سنجش به یک خروجی جریان و نیز فراهم کردن جبران 4 میلی آمپری فراهم میکند. علاوه بر اینکه ولتاژ Vin- باید مورد پردازش قرار گیرد ما به ولتاژ بایاس Vbias نیز نیاز داریم تا از ایجاد حداقل 4 میلی آمپر توسط مدار اطمینان حاصل شود.

از آنجا که استفاده از مدار های تقویت کننده عملیاتی از زمان شروع پردازش های کامپیوتری دیگر چندان معمول نیست و امروزه از آنها به عنوان “بیگانه” تلقی می شوند، ما میبایست حداقل مقداری از کار ها را به صورت دستی انجام دهیم. در ابتدا برای ساده تر شدن کار، مقدار Ri و Rb را در حدود 680 کیلو اهم برای هر کدام در نظر میگیریم. پس از آن مقدار دو ولتاژ اصلی مدار یعنی Vin را برابر با 5 ولت (با توجه به مقدار Ii که 20 میلی آمپر است) و صفر ولت(برابر با جریان 4 میلی آمپر برای Ii) در نظر میگیریم. در هر دو حالت ولتاژ اعمال شده به ورودی معکوس را میتوان با استفاده از فرمول V=Ii xRcont محاسبه کرد. از آنجا که تقویت کننده های عملیاتی با بازخورد منفی همیشه تلاش میکنند که هر دو ورودی را در یک پتانسیل یکسان نگه دارند ، ما میتوانیم برای هر دو حلقه بگوییم:

از آنجا که تقویت کننده های عملیاتی نمیتوانند جریانی بکشند ، ما میتوانیم چنین فرض کنیم که جریان درون دو مقاومت ثابت است.

در نهایت ما میتوانیم حلقه کوچکتر را به صورت زیر بازنویسی کنیم:

اکنون میتوان از این نتایج در معادله Vx=Ii x Rcont استفاده نمود. هر دو مقدار حداکثری را برا بر با هم قرار داده تا مقدار Vb و Rcont مشخص شود. همچنین توجه داشته باشید که صحت مدار ( به صورت ایده ال) صرفا توسط Rcont تعیین می شود.

سیستم های سنسوری در عمل

 این کتاب 20 صفحه ای برای هر کسی که به طراحی و استفاده از تقویت کننده های عملیاتی در حلقه های جریان علاقه داشته باشد، بسیار مفید خواهد بود. حالا بهتر است ببینیم که برنامه نویس ها چطور سیستم های 4 تا 40 میلی آمپری را در تکنولوژی سنسور ها به کار میگیرند.

بیشتر پیکربندی های معمول در تصویر 4 نشان داده شده است. در اینجا ما یک سنسور فعال یا خروجی یک کنترل در فرمت 4-20میلی آمپر را داریم. تا زمانی که ما مجاز باشیم که خروجی را به زمین وصل کنیم، کار ما آسان است: تمام کاری که باید بکنید این است که در حلقه جریان یک مقاومت R_cont قرار دهید که این مقاومت در محدوده مجاز باشد و پس از آن افت ولتاژ را در آن نقطه اندازه گیری کنید.

همه سنسور هایی که ما از آنها به عنوان سنسور هایی اولیه یاد میکنیم را میتوان به دو دسته سنسور های که توسط خود سیگنال تغذیه می شوند و نیازی به منبع تغذیه ندارند و سنسور های سه پایه ای که پایه سوم برای اتصال به منبع تغذیه استفاده می شود تقسیم نمود. سنسور های شانت با دیگر سنسور های هم کیش خود فرق دارد. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، این سنسور ها با یک مقاومت دقیق داخلی همراه هستند. این سنسور ها زمانی که با آمپلی فایر های تفاضلی به کار گفته شوند میتوانند برای جمع آوری اطلاعات بدون اتصال به زمین مورد استفاده قرار گیرند. اینکه این سنسور بالا نصب شده باشد یا پایین دیگر اهمیتی

نخواهد داشت. تصمیم گیری برای یک معماری خاص یا بر علیه یک معماری خاص اغلب بر عهده تولید کننده سنسور است. اگر می خواهید مقدار خاصی را مورد نظارت قرار دهید میبایست همیشه در زمان خرید سنسور استفاده از روش های مختلفی را مد نظر داشته باشید.

ای سی های آماده استفاده
یک تقویت کننده عملیاتی از چند مقاومت و یک ترانزیستور که بین دو لایه سیلیکونی قرار گرفته است تشکیل شده است. هزینه این ای سی بیشتر از هزینه چند قطعه مجزای تشکیل دهنده آن است که این مساله صرفا به خاطر اندازه جمع و جور تر این ای سی است. البته استفاده از این ای سی تجارت خوبی برای تولید کنندگان تقویت کنندهای عملیاتی و سازندگان سنسور های جریان 4-20 میلی آمپر ساخته است.
راه انداز جریان AD5749 ساخت شرکت Analog Devices یک قطعه آنالوگ برجسته است ( شرکت های دیگری هم قطعات مشابهی تولید میکنند). ساختار ابتدایی این قطعه را میتوان در شکل 6 مشاهده کرد. این قطعه از این نظر که در آن یک محدوده جریانی خاص از قبل تنظیم شده است با دیگر قطعات تفاوت دارد. این کارایی به کاربران این اجازه را میدهد که با استفاده از رابط SPI مقدار آمپراژ را مشخص کنند. با این کار دیگر نیازی به میکروکنترلر ها برای انتخاب محدوده جریان نیست.

ممکن است دریافت داده به حدی مشکل باشد که لازم شود سنسور را با استفاده از دو یا سه دستگاه فعال کننده به حلقه جریان وصل کنید. اگر چنین مشکلی رخ ندهد عمدتا قرار دادن یک سری مقاومت کافی خواهد بود. اگر مقدار نیروی خروجی کم بود میتوان به خروجی یک تقویت کننده عملیاتی یا هر تقویت کننده مشابه دیگری وصل کرد.
در میان تحقیقات و کتب، مرجع های بسیاری برای مدارات آنالوگ چند مرحله ای وجود دارد که مقدار 4 تا 20 میلی آمپر را به مقدار صفر تا هر ولتاژی تبدیل میکنند. به نظر ما هیچوقت از این روش استفاده نکنید مگر در شرایط خاص. بهترین کار این است که ابتدا مقدار را به صورت دیجیتالی در بیاورید سپس به صورت نرم افزاری مقیاس دهی (و خطا سنجی ) کنید. اگر شما به دنبال ای سی میگردید که مقادیر حلقه های جریان را به ولتاژ تبدیل کند، گزینه های محدودی پیش رو دارید. ای سی RCV420 ساخت شرکت تگزاس اینسترومنتس یکی از این گزینه ها است که 4-20 میلی آمپر را به 0 تا 5 ولت تبدیل میکند. با این حال خود این چیپ نیازمند منبع تغذیه دو قطبی است. دیتاشیت این قطعه منبع تغذیه ±15 را پیشنهاد میکند که بسیار با مقدار معمول مورد استفاده در موارد صنعتی فاصله دارد. علاوه بر این قیمت این قطعه نیز نسبتا زیاد است و در فروش های ویژه با قیمتی در حدود 7.5 یورو یا 12 دلار به فروش میرسد .
صنایع نیمه هادی Vishay در فایل راهنمای کاربری شماره 54 خود، خانواده ای از ابزار های کاملا ایزوله که از اپتوکوپلر های IL300 خود این شرکت استفاده میکند، را معرفی کرده است. البته همه آنها بلا استثنا بسیار پیچیده هستند.

استفاده از سنجش ایمن و کمک گرفتن از ذهنتان
افراد در شرکت Maxim Integrated در استفاده از ابزار هایی مثل سنسور 4-20 میلی آمپر احتیاط به خرج میدهند. در عوض آنها از ابزار های کمکی دیگری استفاده میکنند تا حلقه های جریانی بسازند که قابلیت های دیگری نیز داشته باشد.
تنها یک استثنا در کار آنها وجود دارد و آن هم MAX14626 است که برای محافظت از حلقه های جریان به صورت خاص تجهیز شده است. این قطعه که قیمت آن در حدود 0.6 یورو یا 0.7 دلار برای سفارشات هزار تایی است، در حلقه جریان قرار میگیرد و تنها نیاز به یک اتصال زمین دارد . نحوه کار این قطعه این است که در مقدار خروجی جریان 30 میلی آمپر و بالاتر خاموش می شود. اگر این قطعه برای پایش گرمایی به سنسور وصل شود میتواند به عنوان یک کلید گرمایی برای دماهای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد کار کند (شکل 7). تنها مشکلی که وجود دارد این است که این قطعه در بسته بندی های TDFN (Thin Dual Flat No-leads= بسته بندی نازک دو لبه بدون پایه)عرضه می شود. که برای نصب توسط انسان طراحی نشده است.

همین وضعیت در مورد قطعه DS8500 شرکت نیمه رسانای دالاس (ماکسیم کنونی) نیز صدق میکند. این قطعه تنها در بسته بندی TQFN (Thin Quad Flat No-leads = بسته بندی نازک 4 لایه بدون پایه)عرضه می شود. این قطعه قرار است که رابطی برای تکنولوژی HART (Highway Addressable Remote Transducer= رابط راه دور آدرس پذیر شاهراهی) باشد که به حلقه های جریان اجازه میدهد تا مودم های دیجیتال با نرخ داده پایین بر روی آنها نصب و قابل استفاده باشند. HART بر مبنای تکنولوژی FSK و با سوار شدن بر روی سیگنال امواج سینوسی عمل میکند. (شکل 8). مودم هایی از این نوع نشان دادند که چگونه نرخ های نمونه برداری متوسط، برخی از اوقات میتواند بهترین گزینه باشد. تصور کنید هرکس اقدام به ثبت داده با HART با نرخ 20 کیلوهرتز کند و با هیچگونه نویزی روبرو نشود.

جمع بندی
سنسور حلقه جریان قطعا برای همه سیستم ها مناسب نیست. با این حال این روش گاهی اوقات ثابت کرده است که در محیط های پر نویز صنعتی بهینه ترین راه حل است.

لطفا تجربیات خود را در زمینه کار با این نوع سنسورها با ما در میان بگزارید.