Các loại tín hiệu đầu ra cảm biến
Thiết bị quan trắc hãng Geosense tương thích với đa dạng các loại cảm biến với các dạng tín hiệu hiệu đầu ra khác nhau từ tín hiệu dây rung (VW), 4-20mA, V, tín hiệu số (RS-485).
Mỗi loại tín hiệu đầu ra đều có nhưng ưu và nhược điểm riêng cho từng loại.
Ưu điểm lớn nhất của tín hiệu đầu ra dây rung là có thể sử dụng cáp tín hiệu rất dài mà không ảnh hưởng tới tần số và độ chính xác
Tín hiệu tần số (Dây rung)
Cảm biến dây rung hoạt động theo nguyên tắc có một sợi dây đã được căng sẵn và cố định 2 đầu, khi tác dụng một xung điện từ thì sẽ dao động theo tần số cộng hưởng của nó. Sự thay đổi vật lý của cảm biến dẫn đến sự thay đổi sức căng dây. Một cuộn lõi điện từ “phát và thu xung điện từ” tác dụng vào sợi dây với phổ tần số xác định. Lý tưởng cho các loại tần số, trừ tần số cộng hưởng sẽ kết thúc trong thời gian rất ngắn (20ms). Sợi dây sẽ tiếp tục dao động với tần số cộng hưởng thêm một thời gian nữa. Khi làm như vậy, nó sẽ làm cắt các dòng trong cuộn thu phát bao gồm cả một tín hiệu Voltage với tần số cộng hưởng dây, sẽ phản hồi lại dưới dạng tần số dây rung.
Nhìn chung : Loại tín hiệu đầu ra này phù hợp sử dụng trong hầu hết các dự án quan trắc trên thế giới hiện nay. Bời vì việc sử dụng tần số thay cho biên độ để truyền dữ liệu , đồng nghĩa là tín hiệu dây rung khá ổn định trước sự suy giảm tín hiệu do nhiễu điện từ, chiều dài cáp tín hiệu lớn, và sự thay đổi khác của điện trở dây dẫn. Tất cả những điều này góp phần cho sự cộng nhận về độ ổn định lâu dài và được sử dụng rộng rãi trong quan trắc kết cấu như đập, hầm giao thông, hầm mỏ, cầu, móng đào, cọc, ổn định mái dốc.
Ưu và nhược điểm: Ưu điểm chính của tín hiệu dây rung có thể sử dụng cáp tín hiệu rất dài mà không ảnh hưởng tới độ chính xác và tính toán ra sức căng, áp lực .vv. Nó cũng không có vấn đề gì khi dây dẫn bị cắt và nối lại với việc kết nối kém làm tăng điện trở dây bởi vì điện trở không ảnh hưởng tới tần số mà chỉ ảnh hưởng tới biên độ. Bằng việc truyền tín hiệu tần số, là loại tín hiệu ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ từ các nguồn điện bên ngoài.
Trước đây, cảm biến dây rung không phù hợp để quan trắc động nhưng với những cải tiến của Campbell Scientific với thiết bị VWIRE 305, giờ đây các cảm biến của Geosense đã được thử nghiệm và áp dụng vào một số dự án thực tế.
Tín hiệu dòng 4-20mA sẽ hoạt động tốt khi áp dụng với chiều dài cáp trung bình
Tín hiệu 4-20mA
Những cảm biến với tín hiệu đầu ra 4-20mA được chuyển đổi sang các đơn vị kỹ thuật theo khoảng đo 4-20mA do đó giá trị tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị áp lực, nhiệt độ, tải trọng, độ nghiêng.vv.
Tuy nhiên giá trị đầu ra này phải được so sánh với các bảng hiệu chuẩn của từng cảm biến và quy đổi theo các công thức toán học để có được các giá trị tuyệt đối.
Hoạt động của vòng lặp rất đơn giản: Một tín hiệu đầu ra cảm biến trước tiên sẽ được chuyển đổi sang dòng điện theo tỷ lệ, với 4mA thông thường sẽ đại diện cho giá trị thấp nhất của tín hiệu đầu ra cảm biến và 20mA đại diện cho lớn nhất của tín hiệu đầu ra cảm biến.
Nhìn chung: Dòng là vận tốc chuyển động của điện tích. Nó được đo dưới dạng amps (A) hoặc miliamps (mA) là sự thay đổi về điện tích so vơi sự thay đổi theo thời gian (dq/dt).
Về điện tử, tín hiệu dòng được xác định bằng cách đo dòng trong mạch điện.
Mạch điện vòng lặp 4-20mA là tiêu chuẩn tín hiệu cảm biến rất mạnh mẽ. Dòng lặp lý tưởng cho việc truyền dẫn dữ liệu vì tính miễn nhiễm của nó với nhiễu điện từ. Trong một dòng lặp 4-20mA, dòng tín hiệu đi qua tất cả các bộ phận, với cùng một dòng điện chạy qua kể cả khi các thiết bị đầu cuối của dây không hoàn hảo. Tất cả các bộ phận của mạch vòng đều bị giảm điện áp do dòng tín hiệu chạy qua chúng. Dòng tín hiệu không bị ảnh hưởng bởi sự giảm điện áp miễn là điện áp nguồn lớn hơn tổng các điện áp giảm xung quanh mạch vòng thì dòng điện cực đại là 20mA.
Ưu và nhược điểm: Tín hiệu đầu ra dạng dòng hoạt động tốt khi chiều dài dây dẫn ở mức trung bình. Truyền dữ liệu với khoảng cách xa làm suy giảm điện áp trong hệ thống, tuy nhiên biên độ của dòng trong vòng lặp không bị ảnh hưởng bởi việc suy giảm điện áp khi mà dòng điện băt đầu từ cực (–) và quay trở về cực (+) .
Truyền dữ liệu đầu ra dang Voltage với khoảng cách xa có một vài nhược điểm
Voltage
Cảm biến có đa dạng tín hiệu đầu ra dạng voltage từ 5V, 10V, -5V - +5V....Cảm biến với tín hiệu đầu ra dạng Voltage được hiệu chuẩn theo các đơn vị kỹ thuật tỷ lệ với khoảng Voltage đầu ra vì vậy giá trị đầu ra tương ứng với các giá trị cụ thể của áp lực, nhiệt độ, tải trọng, độ nghiêng .vv.
Tín hiệu đầu ra này cần được so sánh với bảng hiệu chuẩn của từng cảm biến và bằng các công thức toán học để chuyển đổi ra giá trị tuyệt đối. Có hai dạng tín hiệu đầu ra Voltage là dạng Difference và Single-end.
Dạng tín hiệu difference là giá trị chênh điện áp giữa dây và nối đất. Nhiễu chỉ xuất hiện trên dây dương, nó vẫn được đo tín hiệu đầu ra voltage từ cảm biến. Một cảm biến với đầu ra dạng difference có thể chuyển sang dạng single-end bằng cách nối thông low với ground. Điều này thường được thực hiện để giảm số kênh đo cần thiết để đo cảm biến biến.
Cần phải lưu ý là tiến hành đo với dạng single-end và difference phải dựa trên hệ thống thu thập dữ liệu và cách nối dây. Cáp vặn xoắn chống nhiễu rất hiệu quả trong việc giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ mà các loại dây khác không thể đạt được.
Nhìn chung: Volatge là số đo của khối lượng công việc để di chuyển một điện tích từ điểm này sang điểm khác. Voltage được đo dưới dạng V. Điện trở dây dẫn phụ thuộc vào việc tăng/giảm chiều dài hay thậm chí sự thay đổi nhiệt độ nên số liệu đo ở đầu này đến đầu khác có thể bị thay đổi. Mỗi đoạn nối trong hệ thống sẽ làm thay đổi điện trở từ đó làm thay đổi số đọc đầu ra voltage. Việc sử dụng tín trợ giúp từ hiệu dạng difference vẫn không thể xử lý vấn đề này. Tín hiệu Voltage vì vậy tốt nhất nên sử dụng với dây dẫn ngắn trong môi trường ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ.
Ưu và nhược điểm: Truyền dẫn tín hiệu dạng Voltage với khoảng cách dài có một số bất lợi. Truyền dẫn tín hiệu Voltage với khoảng cách dài tạo ra điện áp thấp hơn ở đầu nhận do điện trở dây. Thiết bị voltage rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Cáp tín hiệu chống nhiễu cần được sử dụng để giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ, nhưng giá thành cao không khuyến cáo sử dụng với khoảng cách xa.
Lợi thế của tín hiệu đầu ra RS-485 giảm chi phí do giảm được số kênh đo yêu cầu
Tín hiệu số Digital
Rất nhiều cảm biến hiện nay sử dụng tín hiệu số thay vì tin hiệu analogue của voltage hay current. Với tín hiệu voltage có hai loại là single-end và difference. Hai dạng phổ biến nhất là RS-232 và RS-485 thì chúng tối không sử dụng cảm biến RS-232 do chỉ dùng được với dây dẫn ngắn và bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, thay vào đó chúng tôi sử dụng giao tiếp RS-485.
RS-485 là tiêu chuẩn xác định các đặc tính điện của thiết bị truyền và nhận để sử dụng trong hệ thống đa điểm kỹ thuật số cân bằng. Các mạng truyền thông kỹ thuật số thực hiện điều này có thể được sử dụng hiệu quả với khoảng cách xa và trong môi trường nhiễu điện từ.
Nhìn chung: RS-485 chỉ là một dạng đặc tính điện của máy phát và máy thu. Nó không chỉ định hay đề xuất bất kỳ giao thức truyền thông nào chỉ có các lớp vật lý. Modbus, Profibus, Canbus và SDI-12 là các ví dụ về giao thức giao tiếp sử dụng tín hiệu dạng RS-485.
Ưu điểm lớn nhất của hệ thống RS-485 là cảm biến có thể được bussed, có nghĩa là mỗi cảm biến sẽ có địa chỉ riêng và nhiều cảm biến có thể dùng chung một dây dẫn có nghĩ là nhiều cảm biến chỉ sử dụng một kênh đo trên Datalogger giúp tiết kiện đạng kể khối lượng dây và số kênh đo. Có thể đạt được khảng cách xa nhưng khoảng cách là một hàm của điện áp và dây dẫn. Chiều dài day dẫn càng dài thì càng làm suy giảm tín hiệu. Nên chiều dài dây dẫn không phỉa là vô hạn. Sự suy giảm tín hiệu cũng tăng theo tần số truyền dữ liệu và khoảng cách có thể đạt được cũng giảm theo tốc độ dữ liệu.
Ưu và nhược điểm: ưu điểm của tín hiệu RS-485 là giảm được số kênh đo. Giảm được chi phí và dễ dàng lắp đặt hơn vì chỉ cần một dây dẫn cho các thiết bị mà không cần từng dây dẫn riêng cho từng thiết bị. Mặc dù không miễn hoàn toàn, nhưng cũng rất ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ so vơi tín hiệu voltage và current. Tín hiệu số không phù hợp cho quan trắc động do sự chậm trể trong quá trình chuyển đổi từ analog sang digital và thời gian đề thăm dò cảm biến cho số đọc.