Comment choisir le bon module d’E/S numériques industrielles pour votre capteur

Le capteur de sortie numérique est un capteur qui ne produira que deux valeurs dans sa sortie, soit On ou Off, contrairement à un capteur de sortie analogique qui produit une valeur de sortie variant continuellement sur toute sa gamme. L'exemple le plus simple de capteur numérique est le commutateur tactile. Un commutateur tactile typique est un circuit ouvert avec une résistance infinie lorsqu'il n'est pas enfoncé et un court-circuit avec une résistance nulle lorsqu'il est enfoncé.

Lors de l’interface du capteur de sortie numérique, il est important de prendre en compte certains facteurs clés qui détermineront la compatibilité du capteur avec le périphérique d’acquisition de données. Tout au long de ce document, nous présenterons ces facteurs clés et fournirons un moyen facile de sélectionner le périphérique d’acquisition de données approprié pour votre application.

Les capteurs de sortie numérique peuvent être classés en fonction des paramètres suivants :

1. Caractéristiques du signal pilotant la sortie du capteur
2. Absorption vs. Sorties source
3. Capteurs à 2 et 3 fils
4. Composant électronique utilisé pour implémenter la sortie du capteur

 Le développement technologique a mis sur le marché une variété de capteurs de sortie numérique complexes. De nos jours, vous pouvez trouver des capteurs qui produisent des trains de transitions entre l’état On et Off, avec ces types de capteurs, les caractéristiques de fréquence ou même la forme des trains d’impulsions transmettent la mesure du capteur, permettant de mettre en œuvre une mesure continue.

La figure 1 montre une classification des capteurs de sortie numérique en fonction des caractéristiques du signal qui déterminent sa sortie. Comme le montre le graphique, 45 % des capteurs de sortie numérique sont basés sur l’état tout ou rien de la ligne numérique, 35 % sur la fréquence du signal et 12 % sur le rapport cyclique de la fréquence de sortie ².

La caractéristique du signal véhiculant la mesure du capteur est le premier paramètre à prendre en compte lors de la sélection d’un module d’E/S numériques industriel. Il est important de décider si vous avez besoin de compteurs sur votre module d'E/S numériques.

Parcourir les périphériques DIO statiques industriels

Matériel à compteurs/timers

  Absorption et Éjection sont des termes utilisés pour définir le contrôle du flux de courant direct dans une charge.

• Fournit un chemin pour le courant à la masse et n ' est pas responsable de l ' alimentation du périphérique. Les termes utilisés pour décrire les périphériques à courant absorbé incluent NPN, Open Collector, Normally High et IEC Negative Logic.
• Périphérique source : Fournit la puissance ou un potentiel positif à un périphérique. Les périphériques sources « poussent » le courant à travers la charge. Les termes utilisés pour décrire les périphériques source incluent PNP, Open Emitter, Normally Low et IEC Positive Logic.

Le concept de Source et d’absorption est indépendant du composant (ex : transistor, relais mécanique et etc...) qui implémente l’opération. Ce concept s'applique à tout circuit CC ; le composant qui implémente le circuit peut varier.

Figure 2 - Capteurs à courant absorbé.

Figure 3 - Sources de capteurs de sortie.

La troisième classification de type est importante pour définir la relation entre le courant et la tension dans l’état On et Off du capteur. Un capteur peut être classé comme un appareil à 2 ou 3 fils comme suit :

• Capteurs à 2 fils : Ils sont connectés en série avec le périphérique qui acquiert les données.

Lorsque le capteur n ' est pas activé, il doit prélever un courant de fonctionnement minimal normalement appelé courant de fuite, que les fabricants de capteurs appellent parfois courant résiduel. Ce courant est nécessaire pour que l’électronique du capteur fonctionne. Le courant résiduel n'est pas un problème si le capteur est connecté directement à une autre charge que le périphérique d'acquisition de données, par exemple dans un environnement industriel n'est pas inhabituel d'avoir ces capteurs à 2 fils directement connectés à des moteurs et des dispositifs similaires, qui ont une faible impédance.

Le courant résiduel est un problème pour le système si le capteur requiert un courant résiduel supérieur à ce que le module d’E/S numériques a été conçu pour supporter. Dans ce cas, il se peut que le module d'E/S numérique détecte incorrectement un état On car le courant consommé est plus élevé qu'il ne le prévoit. La plupart des capteurs à 2 fils de l’industrie ont un courant de fuite hors état ou un courant résiduel inférieur ou égal à 1,7 mA.

Tout comme l'état Off, il existe également un courant minimum requis pour maintenir l'état On d'un capteur, appelé courant de maintien minimum. Typiquement, ce courant varie de 3 mA à 20 mA. Le capteur ne fonctionnera pas correctement si le module d'E/S numérique ne peut pas absorber ou générer ce courant.

• Capteurs à 3 fils : Les capteurs à 3 fils tirent leur puissance d’un terminal d’excitation et non pas directement via la ligne de sortie numérique, ils sont également appelés par certains fabricants comme capteurs alimentés par ligne.

Figure 5 – Capteurs à 3 fils

Le courant de fonctionnement que ces périphériques tirent du module d’E/S numériques est appelé courant de charge et se situe généralement autour de 20 mA. Il est important de noter que ce courant est fourni par le terminal d'excitation.

  Il existe trois composants électroniques qui pilotent généralement la sortie d’un capteur de sortie de signal :

Relais mécanique : Un relais mécanique est un dispositif électromécanique qui ferme des contacts pour terminer un circuit ou ouvre des contacts pour interrompre un circuit. C'est un appareil capable de gérer la charge de courant à des tensions élevées.

Étant donné que ce sont des périphériques relativement lents par rapport aux relais statiques, ils sont normalement utilisés par des capteurs où l’état de la ligne est la caractéristique de la sortie de commande du signal. Ces appareils sont sujets à l'usure de contact et à l'accumulation de résistance. Leur durée de vie dépend du courant de charge ainsi que de la fréquence de fonctionnement. Ils peuvent parfois produire des résultats erratiques en raison du rebond de contact lorsqu’ils sont connectés à des compteurs et des modules d’E/S numériques.

Transistor : dispositif statique conçu pour contrôler le courant continu. Les transistors se trouvent le plus souvent dans les capteurs faiblement alimentés en CC comme commutateur de sortie. Il existe deux types de transistors - NPN et PNP.

La figure 6 montre un transistor à collecteur ouvert NPN (absorption de courant)

Figure 6 – Sortie NPN du capteur.

Périphérique FET bilatéral : De nombreux photocapteurs sur le marché ont une sortie implémentée dans une architecture appelée sortie FET bilatérale, comme le montre la figure 7. Cette architecture présente de nombreux avantages mais le plus important est le fait qu'elle s'interface directement aux Circuits TTL et CMOS, en plus ils montrent:

FET signifie Field Effect Transistor et est censé devenir la sortie la plus populaire pour les capteurs de sortie numérique en raison de ses caractéristiques de fonctionnement, étant proche du modèle idéal.

Figure 7 - Capteur avec sortie de périphérique FET bilatéral

Pour sélectionner le module d’E/S numériques, il faut répondre aux trois questions suivantes :

Sur la base de cette réponse, reportez-vous au tableau A pour vérifier le groupe de modules d'E/S numériques qui conviendrait à votre application.

Le tableau A fournit à nouveau une classification des cartes NI en fonction des capacités d’absorption et d’émission, donc si votre capteur a une sortie d’absorption, vous voulez sélectionner une carte avec une entrée d’émission et vice versa.

À ce stade, il faudra peut-être tenir compte de la courbure de fuite hors état ainsi que du courant de maintien minimal pour l’état On.

Comparez les spécifications des capteurs avec celles des périphériques d'acquisition de données du tableau B afin de sélectionner le périphérique le plus approprié pour votre capteur. Outre les niveaux de tension, il faut tout de même observer les deux conditions suivantes importantes qui sont parfois négligées:

1. Courant de fuite hors état (capteur) < Courant d'entrée maximal à l'état bas (carte)
2. Courant de maintien minimal (capteur) < Courant d'entrée maximal à l'état haut (carte)

Type de mesure : Mesure de flux
Fabricant : Gems Sensors
Type de sortie numérique : Fréquence

Type de mesure : Accélération (ADXL202, accéléromètre double axe ±2 g)
Fabricant : Analog Devices
Type de sortie numérique : Rapport cyclique (TTL, compatible CMOS)

Type de mesure : Interrupteur de position (relais mécanique)
Fabricant : Schmersal
Type de sortie numérique : Sortie ON-OFF.

· Oméga
· Omron
Encodeur Products Co.
· US. Capteurs
Sensotec
· Watlow
· PCB Piezotronics
· Instrument de désherbage
· Spécialités de mesure
· Celesco
· Endevco
· Capteurs macro
Transducer Techniques Inc.

¹ Dans tout ce document, le module d'E/S numériques est utilisé pour décrire le périphérique d'acquisition de données connecté au capteur de sortie numérique.

² Kirianaki, Yurish, Shpak, Deynega. Data Acquisition and Signal Processing for Smart Sensors, 2002 [ISBN 0-470-84317-9].