Auswahl des richtigen industriellen Digital-I/O-Moduls für Ihren Digitalausgangssensor

Digitaler Ausgabesensor ist ein Sensor, der im Gegensatz zu einem analogen Ausgabesensor, der über seinen gesamten Bereich einen kontinuierlich variierenden Ausgabewert erzeugt, nur zwei Werte (Ein oder Aus) ausgibt. Das einfachste Beispiel für einen digitalen Sensor ist der Berührungsschalter. Ein typischer Berührungsschalter ist ein offener Stromkreis mit unendlichem Widerstand, wenn er nicht gedrückt wird, und ein Kurzschluss ohne Widerstand, wenn er gedrückt wird.

Beim Anschließen des digitalen Ausgabesensors ist es wichtig, einige Schlüsselfaktoren zu berücksichtigen, die die Kompatibilität des Sensors mit dem Datenerfassungsgerät bestimmen. In diesem Dokument stellen wir diese Schlüsselfaktoren vor und bieten eine einfache Möglichkeit, das für Ihre Anwendung geeignete Datenerfassungsgerät auszuwählen.

Digitale Ausgabesensoren können basierend auf den folgenden Parametern klassifiziert werden:

1. Eigenschaft des Sensorausgangssignals
2. Senken vs. Quellausgänge
3. 2- und 3-Draht-Sensoren
4. Elektronisches Bauelement zur Implementierung der Sensorausgabe

 Die technologische Entwicklung hat eine Vielzahl komplexer digitaler Ausgangssensoren auf den Markt gebracht. Heutzutage finden Sie Sensoren, die Übergänge zwischen dem Ein- und Aus-Zustand erzeugen. Bei diesen Sensoren wird die Messung durch den Frequenzverlauf oder auch durch die Form der Impulsfolgen vermittelt, wodurch eine kontinuierliche Messung möglich ist.

Abbildung 1 zeigt eine Klassifizierung digitaler Ausgangssensoren basierend auf Signalcharakteristiken, die die Ausgabe steuern. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, basieren 45 % der digitalen Ausgangssensoren auf dem Einschaltzustand der digitalen Leitung, 35 % der Sensoren auf der Frequenz des Signals und 12 % auf dem Tastgrad der Ausgangsfrequenz ².

Die Signalcharakteristik des Sensors ist der erste Parameter, der bei der Auswahl eines industriellen Digital-I/O-Moduls berücksichtigt werden muss. Dies ist wichtig, um zu entscheiden, ob Zähler an Ihrem Digital-I/O-Modul benötigt werden.

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  Mit den Termini "stromziehend" ("sinking") und "stromliefernd" ("sourcing") wird die Art und Weise beschrieben, wie sich Gleichstrom in einer Last verhält.

• Senkgerät: Gibt den Strompfad zur Erde an und ist nicht für die Stromversorgung des Geräts verantwortlich. Zur Beschreibung der Eigenschaften von Senken werden Begriffe wie NPN, offener Kollektor, "Normally High" und negative Logik (IEC) verwendet.
• Bezugsgerät: Ein Sourcing-Gerät stellt die Leistung oder ein positives Potential bereit. Sourcing-Geräte "pushen" den Strom durch die Last. Bezeichnungen für Sourcing-Geräte sind PNP, Open Emitter, Normally Low und IEC Positive Logic.

Das Konzept des Sourcing und Sinking ist unabhängig von der Komponente (z. B. Transistor, mechanisches Relais usw.), die die Operation implementiert. Dieses Konzept gilt für alle Gleichspannungsschaltungen; die Komponente, die die Schaltung implementiert, kann variieren.

Abbildung 2 - Sinkende Ausgangssensoren.

Abbildung 3 - Bezug von Ausgangssensoren.

Die dritte Typklassifizierung ist wichtig, um den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung im Ein- und Aus-Zustand des Sensors zu definieren. Ein Sensor kann wie folgt als 2- oder 3-Draht-Gerät klassifiziert werden:

• 2-Draht-Sensoren: Sie sind in Reihe mit dem Gerät geschaltet, das die Daten erfasst.

Wenn der Sensor nicht aktiviert ist, muss er einen Mindestbetriebsstrom beziehen, der üblicherweise als Sperrstrom bezeichnet wird, der von den Sensorherstellern teilweise auch als Reststrom bezeichnet wird. Dieser Strom ist notwendig, um die Sensorelektronik funktionsfähig zu halten. Der Reststrom ist kein Problem, wenn der Sensor direkt mit einer anderen Last als der Datenerfassungseinrichtung verbunden ist, beispielsweise im industriellen Umfeld, wenn diese 2-Draht-Sensoren direkt an Motoren und ähnliche Geräte angeschlossen sind, die eine niedrige Impedanz aufweisen.

Der Reststrom ist ein Problem für das System, wenn der Sensor einen höheren Reststrom benötigt als das Digital-I/O-Modul. In diesem Fall kann das Digital-I/O-Modul fälschlicherweise einen Einschaltzustand erkennen, da der entnommene Strom höher ist als erwartet. Die meisten 2-Draht-Sensoren in der Industrie haben einen Sperrstrom oder Fehlerstrom von nicht mehr als 1,7 mA.

Ähnlich wie im Aus-Zustand ist auch hier ein Mindeststrom erforderlich, um den Einschaltzustand eines Sensors aufrechtzuerhalten, der Mindesthaltestrom. Typischerweise liegt dieser Strom zwischen 3 mA und 20 mA. Der Sensor funktioniert nicht ordnungsgemäß, wenn das Digital-I/O-Modul diesen Strom nicht absenken oder ausgeben kann.

• 3-Draht-Sensoren: 3-Draht-Sensoren beziehen ihre Leistung von einem Erregeranschluss und nicht direkt über die digitale Ausgangsleitung, sie werden von einigen Herstellern auch als leitungsgespeiste Sensoren bezeichnet.

Abbildung 5 – 3-Draht-Sensoren

Der Betriebsstrom, den diese Geräte dem Digital-I/O-Modul entnehmen, wird Laststrom genannt und liegt typischerweise in der Nähe von 20 mA. Dieser Strom wird vom Erregeranschluss bereitgestellt.

  Es gibt drei elektronische Komponenten, die in der Regel die Ausgabe eines Signalausgabesensors steuern:

Schaltrelais: Ein mechanisches Relais ist ein elektromechanisches Gerät, das Kontakte schließt, um einen Stromkreis zu beenden, oder Kontakte öffnet, um einen Stromkreis zu unterbrechen. Es ist ein Gerät, das Strombelastungen bei hohen Spannungen verarbeiten kann.

Da es sich im Vergleich zu Halbleiterrelais um relativ langsame Geräte handelt, werden sie normalerweise von Sensoren verwendet, bei denen der Zustand der Leitung das Merkmal der Signalausgabe ist. Diese Geräte unterliegen Kontaktverschleiß und Widerstandsaufbau. Ihre Lebensdauer hängt sowohl vom Laststrom als auch von der Betriebshäufigkeit ab. Beim Anschließen an Zähler und Digital-I/O-Module können sie aufgrund von Kontaktprellungen zu unregelmäßigen Ergebnissen führen.

Transistor: ist ein Halbleiterbauelement zur Regelung des Gleichstroms. Transistoren werden am häufigsten in Sensoren mit geringer Gleichspannung als Ausgangsschalter verwendet. Es gibt zwei Arten von Transistoren - NPN und PNP.

Abbildung 6 zeigt einen NPN-Transistor mit offenem Kollektor

Abbildung 6 – Sensor-NPN-Ausgabe.

Bilaterales FET-Gerät: Viele Fotosensoren auf dem Markt haben eine Ausgabe, die in einer Architektur implementiert ist, die bilaterale FET-Ausgabe genannt wird (siehe Abbildung 7). Diese Architektur hat viele Vorteile, aber der wichtigste ist die Tatsache, dass Schnittstellen direkt zu TTL- und CMOS Circuits zeigen:

FET steht für Field Effect Transistor und soll aufgrund seiner Betriebseigenschaften, die dem idealen Modell nahe kommen, der beliebteste Ausgang für digitale Ausgangssensoren werden.

Abbildung 7 - Sensor mit zweiseitigem FET-Ausgang

Zur Auswahl des Digital-I/O-Moduls sollten drei Fragen beantwortet werden:

Basierend auf dieser Antwort lesen Sie Tabelle A, um die für Ihre Anwendung geeignete Gruppe von Digital-I/O-Modulen zu überprüfen.

In Tabelle A finden Sie wiederum eine Klassifizierung der NI-Karten basierend auf den Senken- und Bezugsmöglichkeiten. Wenn Ihr Sensor also einen Senkenausgang hat, möchten Sie eine Karte mit einem Bezugseingang auswählen und umgekehrt.

An diesem Punkt muss möglicherweise der Sperrstrom sowie der Mindesthaltestrom für den Einschaltzustand berücksichtigt werden.

Vergleichen Sie die Spezifikationen der Sensoren mit den Spezifikationen der Datenerfassungsgeräte in Tabelle B, um das am besten geeignete Gerät für Ihren Sensor auszuwählen. Neben den Spannungspegeln sollten noch zwei wichtige Bedingungen beachtet werden, die manchmal übersehen werden:

1. Leckstrom im Ruhezustand (Sensor) Maximaler Eingangsstrom bei Low-Zustand (Karte)
2. Minimaler Haltestrom (Sensor) Maximaler Eingangsstrom bei High-Zustand (Karte)

Art der Messung: Durchflussmessung
Hersteller: Edelsteinsensoren
Ausgabeart von Digitalsignalen: Frequenz

Art der Messung: Beschleunigung (ADXL202, ±2 g Zweiachsen-Beschleunigungsmesser)
Hersteller: Analoge Geräte
Ausgabeart von Digitalsignalen: Tastverhältnis (TTL, CMOS-kompatibel)

Art der Messung: Positionsschalter (mechanisches Relais)
Hersteller: Schmersal
Ausgabeart von Digitalsignalen: EIN-AUS (Ausgang).

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¹ In diesem Dokument wird "Digital-I/O-Modul" verwendet, um das Datenerfassungsgerät zu beschreiben, das mit dem Digitalausgangssensor verbunden ist.

² Kirianaki, Jurisch, Shpak, Deynega. Datenerfassung und Signalverarbeitung für intelligente Sensoren, 2002 [ISBN 0-470-84317-9].