Jste zde

TEST – Převodník tenzometrických vážních snímačů TE485 – 1.díl

Antonín Vojáček, 15. Srpen 2013 - 20:49

Převodník tenzometrických vážních snímačů s označením TE485 představuje v této oblastí velmi levnou alternativu, jak snadno provést napájení a převod slabých signálů tenzometrických snímačů zatížení (strain-gauge loadcells) na kompletně digitální signál. Přesněji řečeno sériovou datovou komunikaci RS-485 s protokolem SPINEL nebo standardní průmyslovou sběrnicí MODBUS RTU. Výstupem je hodnota přímo v nastaveném zatížení, ale pro důkladnější analýzu signálu je možné číst i přímo "surovou" hodnotu z převodníku.

Zařízení TE485 od české společnosti Papouch s.r.o. představuje svojí koncepcí zcela moderní zařízení, které tvoří prostě jen krabička s průchodkami, která obsahuje samotnou vnitřní elektroniku převodu (přesný nízkošumový A/D převodník a zpracovávající/řídicí procesor).

Ovládání a nastavení převodníku se provádí zcela jen přes sériovou komunikační sběrnici RS-485 prostřednictvím definovaných příkazů buď firemního protokolu společnosti Papouch s názvem SPINEL nebo standardizovaným průmyslovým protokolem MODBUS RTU. Tedy žádný displej, žádná ovládací tlačítka, jen uvnitř krabičky se nachází indikační LED. Prostě jen čistá elektronika. Proto se povedlo výrobci srazit výrobní náklady a prodejní cenu na částku necelých 3 000,- Kč bez DPH. To je, co vím, nejlevnější převodník pro průmyslové vážení na trhu. Svými měřícími a provozními parametry sice nepatří úplně ke špičce, ale pro realizaci méně náročných automatických elektronických vážících systémů zcela dostačuje.

Stručný úvod do tenzometrických snímačů

Tenzometrický snímač převádí mechanické síly způsobené tlakem, hmotností nebo pnutím na změnu elektrického odporu, resp. na změnu elektrického napětí. Tenzometrický snímač zatížení pak svojí konstrukcí představuje zapouzdřený nosník, který se silovým namáháním nepatrně ohýbá, a to měří odporový měřící můstek, kde právě jeho rezistory reprezentují tenzometry nalepené pod neprodyšným krytem na ohýbaný nosník.

Tenzometr je senzor, který mění svůj elektrický odpor v závislosti na mechanickém namáhání. Jde prakticky o měděný drátek, který při ohýbání mění svoji délku a tím nepatrně i svůj elektrický odpor. Protože je změna odporu velmi malá, je výstupem odporového tenzometrického můstku při jeho rozvážení jen malé napětí v řádu jednotek mV. To je nutné co nejdříve zesílit a předzpracovat. A to právě provádějí převodníky tenzometrických snímačů.

Připojení tenzometrických snímačů k TE485

Proti vyspělejším převodníkům, například již dříve testovaný LAUMAS TLS, který se také vyznačuje MODBUS RTU datovou komunikací, totiž na na signálové straně tenzometrického snímače obsahuje jen tzv. 4vodičové připojení měřícího tenzometrického (odporového) můstku snímače. Tedy pouze dva vodiče pro napájení můstku a dva vodiče pro zpětné přivedení naměřeného slabého napěťového mV signálu, který je úměrný zatížení snímače. Obecně převodníky pro přesná měření mívají tzv. 6vodičové připojení, kdy se ještě zvlášť měří skutečné napájecí napětí na můstku, aby se vyloučil úbytek napětí na hlavních přívodních vodičích. Tím se minimalizuje chyba měření. Zde u TE485 je tedy v případě připojování 6vodičového snímače nutné nechat dva vodiče nepřipojeny.

Dále pak proti špičkovým převodníkům, které mají napájení snímače obvykle střídavým (kolem nuly napěťově symetrickým) napětím, zde se podobně jako u všech levných převodníků využívá jednoduchého stejnosměrného napájení 5 VDC. To nemá vliv na samotnou volbu tenzometrického snímače, ale střídavé napájení opět snižuje vliv okolního rušení na měření.

Připojení převodníku tenzometrických snímačů zatížení TE485.

Kalibrační a nastavovací parametry

Také nastavovací parametry samotného vážení byly co nejvíce zjednodušeny, což však nemusí být vždy zcela na závadu. Celé nastavení rozsahu a přesností vážení / převodu, které u některých konkurenčních podobných převodníků či měřících jednotek bývá i dosti složité, se zde prakticky „smrsklo“ do 3 registrů a příkazů:

  • Nastavení citlivosti připojeného tenzometrického snímače.
  • Nastavení nulového zatížení = vynulování tzv. mrtvé hmotnosti (tj. přiřadit signálu snímače hodnotu 0 kg).
  • Kalibrace vážení (tj. přiřazení nenulového signálu snímače hmotnosti xxx kg).

A to je prakticky vše. Na druhou stranu tento převodník nikdy nebude pracovat samostatně, ale vždy se předpokládá jeho napojení na nějaký nadřazený řídicí systém, ať již PLC či PC, který bude mít na starosti ono finální zpracování, prezentaci a vizualizaci obdržených hodnot zatížení, takže z tohoto pohledu není nutné, aby TE485 obsahoval nějaké další funkce. Ty by jen jeho jednoduchou strukturu a komunikační formát dále komplikovaly. Je tedy jen na onom nadřazeném PLC či PC, aby hlídalo přetížení snímače, provádělo uživatelské nulování či tárování vážení.

Daleko větší prostor v nastavovacích registrech převodníku je věnován parametrům komunikace a formátu zasílané hodnoty hmotnosti. Lze získávat jak surovou RAW hodnotu, což jsou prostě jen přímo 16bitové hodnoty z výstupu A/D převodníku (signed 16bit integer), tak výše uvedenými 3 položkami kalibrovaný výstup v podobě znaménkového celého 16bitového čísla reprezentující hmotnost zatížení v gramech či kilogramech. Současně se s hodnotou zasílá i informace o tom, zda je hodnota v rozsahu, pod rozsahem (underflow) nebo přes rozsah (overflow).

Seznam všech instrukcí protokolu Spinel, které lze využít pro měření, ovládání a konfiguraci převodníku TE485.

Mechanické / hardwarové provedení

Vraťme se ale k mechanickému provedení převodníku. Zde prakticky jde o využití klasické plastové krabičky rozměrů 82 x 82 x 57 mm, která celému elektrickému zařízení v podobě jedné malé destičky plošných spojů poskytuje v průmyslu často vyžadované krytí IP65. I z přítomnosti dvou otvorů pro přichycení šrouby na nosnou podložku / konstrukci je hned jasné, že výrobce koncipoval přímé připevnění samotného převodníku hned do blízkosti snímače a daleko od rozvaděče s řídicí / vyhodnocovací jednotkou, ke které má být převodník připojen. Také sériová sběrnice RS-485 umožňuje při rychlostech komunikace do 9600 Baudů využít až délku kabelu 1200 m. Pouze použité průchodky jsou dost malé a v mém případě jsem například musel trošku „zápasit“ s protažením dost silného a velmi houževnatého standardního kabelu snímačů výrobce Vishay-Tedea, které běžně využívám.

Samotná destička z vrchu ze strany snímatelného víka prakticky ukazuje jen masivní WAGO svorky pro připojení 4 vodičů + stínění snímače, 2 vodičů stejnosměrného napájení 10 až 30 VDC a pak 2 vodičů RS-485 komunikace. Dále je zde „Z-SERV“ konektor, kde zkratováním pinů 1-2 je možné přejít do tzv. uvolněného režimu firmwaru nutného například pro nahrání nového firmwaru, a vedle něho indikační LED dioda ukazující napájení a funkci převodníku. Celá elektronika je pak realizována z druhé strany destičky.

Ovládání a komunikace

Jak již bylo uvedeno výše, veškeré ovládání probíhá zasíláním příkazů přes sériovou sběrnici RS-485. Buď prostřednictví Papouch firemního protokolu SPINEL nebo pak přes standardizovaný protokol MODBUS RTU. V obou případech je nejdříve nutné si ze stránek společnosti Papouch stáhnout komunikační pdf manuál a nastudovat kódy, jejich sekvenci ve vysílaném paketu a v případě Modbusu popis jednotlivých registrů řady 40000. Pokud jste již pracovali s nějakými zařízeními Papouch, bude Vám stačit jen nastudovat několik nových příkazů speciálních pro TE485.

Protokol SPINEL není nijak zvlášť složitý, a lze se jej poměrně snadno naučit. Při testování TE485 z PC pak lze velmi dobře využít zdarma poskytovaný program SPINEL terminal, který umožňuje poměrně snadno se přes SPINEL na TE485 připojit nastavením příslušného COM portu, na který je připojený převodník RS485-USB. Já používal sériový převodník Papouch SB485. Pak lze jen měnit hodnoty ovládací instrukce a případně k nim zadávat potřebná data v zadávacím polích INST a SDATA. Na začátku je ještě samozřejmě nutné zadat příslušnou adresu cílové jednotky TE485, pro kterou jsou instrukce a data určeny (v mém případě adresa 31h). Hodnotu adresy snadno získáte vysláním příkazu požadavku získání informací o jednotce jen kliknutím na tlačítko „Info“ v levém horním rohu Spinel terminálu.

Příklad obrazovek komunikačního PC programu SPINEL terminal pro OS Windows s ukázkami vyslaných (zelené sekvence) a od jednotky TE485 obdržených dat (modré sekvence): obdržená informační data po vyslání instrukce "info" (obr. vlevo) a sekvence obdržených hodnot aktuálních zatížení připojeného tenzometrického snímače po vyslání instrukce "51h".

Například v protokolu SPINEL ve formátu 97 po vyslání instrukce „51h“ pak příslušná adresovaná jednotka (zde 31h) vrací aktuální hodnotu zatížení připojeného snímače se započítáním nastavení a nulové hodnoty (čtvrtá a třetí hexa hodnota odzadu, poslední 2 hodnoty jsou kontrolní součet). Naopak instrukce „5Fh“ vrací přímo hodnotu z výstupu A/D převodníku bez zahrnutí nastavení převodu. Pouhé tři instrukce „14h“, „11h“ a „12h“ s příslušnými zadanými daty (SDATA) pak slouží pro celou kalibraci převodního režimu z pohledu vážení. Nastavení těmito instrukcemi se pak právě uplatňuje při čtení zatížení instrukcí „51h“. Více ohledně ovládání přes SPINEL i MODBUS si pak popíšeme v 2. díle tohoto testu.

Příklady obdržených dat od jednotky TE485 po vyslání SPINEL příkazu "51h" pro podržení aktuální hodnoty zatížení připojeného snímače se započítáním nastavených kalibračních dat.

Vlastnosti převodníku TE485:

  • Jeden vstup pro tenzometrický snímač (čtyřvodičové zapojení).

  • Nízkošumový Sigma-Delta A/D převodník.
  • Měřicí rozsah: ±32767 dílků.
  • Max. chyba: 1 dílek.
  • Teplotní drift: 0,07 dílku / °C.
  • Rychlost měření: 50 vzorků za sekundu.
  • Napájení tenzometrického snímače: 5 VDC.
  • Minimální odpor snímače: 50 Ohmů.
  • Napěťové rozsahy vstupu připojení tenzometru:
    • 2 mV/V (rozsah vstup. napětí do 10 mV),
    • 5 mV/V (rozsah vstup. napětí do25 mV),
    • 10 mV/V (rozsah vstup. napětí do 50 mV).
  • Komunikace: RS485, rychlost nastavitelná 300 až 230 kB/s.
  • Komunikační protokoly Spinel a Modbus RTU.
  • Napájení z externího zdroje 8 až 30 VDC.
  • Krytí: IP65
  • Provozní teplota: -20 až 70°C
  • Celkové rozměry: 82 x 82 x 57 mm

 

Příklady použití převodníku TE485:

  • Měření tlaku, hmotnosti a deformace.
  • Přesné vážení vozidel včetně diferenciálního vážení pro zjištění hmotnosti nákladu.
  • Vážení materiálu v nádrži přesným měřením celkové hmotnosti nádrže.
  • Zjišťování a analýza namáhání konstrukčních prvků, součástek nebo i celých konstrukcí, jako jsou mosty, apod.
  • Měření kroutícího momentu.
  • Analýza vlivu teploty a tlaku na mechanickou stálost materiálů.

 

Závěr

Převodník tenzometrických snímačů pro měření zatížení (vážení), přestavuje velmi cenově výhodnou alternativu ke konkurenčním převodníkům, které se obvykle cenově pohybují i vysoko nad hranicí 5000,- Kč a přitom někdy ani o moc více prostředků nenabízejí. A to platí i včetně rozšiřujících modulů pro různá PLC. Z nich navíc v případě poruchy PLC žádná data obvykle nedostanete, přičemž zde TE485 bude stále nezávisle pracovat. Pokud tedy potřebujete řešit levně průmyslové vážení s PLC či přímo s napojením na PC bez přemrštěných nároků na přesnost, zdá se být TE485 velmi dobrá volba.

V druhém díle testu se pak prakticky zaměřím jen na komunikaci s TE485, hlavně z pohledu sběrnice MODBUS RTU.

Odkazy:

Hodnocení článku: