Какие тензодатчики лучше — цифровые или аналоговые? И для кого они лучше?

В данной статье описываются основные особенности применения аналоговых и цифровых датчиков .

Но прежде, чем начать описывать все «за» и «против», давайте сначала в упрощенной форме разберемся с принципом работы весов с  аналоговыми и цифровыми тензодатчиками.

Как правило, при использовании аналоговых датчиков используется следующая схема подключения (упрощенный вариант):

Схема 1: Подключение аналоговых тензодатчиков в электронных весах

Информация с аналоговых тензометрических датчиков по кабелю поступает в соединительную клемную коробку. В коробке, как правило, установлены прецизионные резисторы для выравнивания чувствительностей каждого датчика и их аналогового суммирования. После этого суммарный сигнал поступает в весовой индикатор, где с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сигнал оцифровывается. В этом же индикаторе имеется программа калибровки весов, которая  присваивает цифровому коду значения в единицах массы (кг, граммах, тоннах или др.). Итоговый вес отображается на блоке индикации весов.

Упрощенная структура весоизмерительной системы  при использовании цифровых датчиков  представлена ниже (на примере весов Масса-К):

Схема 2: Подключение цифровых тензодатчиков в  весах производства Масса-К.

При использовании цифровых тензодатчиков измерение происходит точно также как и при использовании аналоговых. Отличие только в том, что оцифровка происходит не в весовом индикаторе, а в каждом датчике в отдельности и далее уже цифровой код передается в соединительную коробку и в весовой индикатор или компьютер. Если весовой индикатор не используется, то калибровка системы и визуализация результатов происходит с помощью специального программного обеспечения (ПО) на компьютере.

Теперь давайте последовательно рассмотрим основные отличия применения цифровых и аналоговых тензодатчиков и как следствие  их преимущества и недостатки.

1.     Способ передачи данных от тензодатчика в систему (отличие цифрового сигнала от аналогового).

Отличие способов передачи сигналов  аналоговыми и цифровыми тензодатчиками в систему весов состоит в следующем.

Аналоговый сигнал является переносчиком информации от датчика к прибору, но числовые значения появляются только при аналого-цифровом преобразовании в цифровом приборе. Поэтому все неинформативные искажения сигналов, возникающие в тензокабеле между датчиком и прибором — низкочастотные (температурные, электростатика и др.) или высокочастотные (электромагнитные шумы, импульсные помехи)   суммируются с ним и вносят погрешности в передаваемую информацию от датчика.

Разработанные ведущими производителями компонентов весов тензокабели совместно со структурными методами обработки аналоговых сигналов (шестипроводное подключение датчиков, фильтрация) снижают указанные погрешности до границ комбинированных погрешностей датчиков. Поэтому если весовой индикатор не удален от весов более чем на 200 метров – влияниями электромагнитных помех и температуры можно пренебречь.

Информация от цифрового датчика передается в импульсно закодированном виде и при действии большинства перечисленных факторов подвергается  искажению, но при этом  не искажаются значения самих кодов, что  влияет только на устойчивость канала передачи информации. Помехоустойчивость и помехозащищенность цифровых каналов существенно выше аналоговых.

Цифровые тензометрические датчики, в свою очередь, имеют свой недостаток: цифровые сигналы с датчиков в прибор или компьютер поступают последовательно. А это существенно замедляет процесс измерения. При этом, если моменты измерения не синхронизированы могут возникнуть методические динамические погрешности измерения.

Для некоторых весовых систем (особенно для многоканальных систем  взвешивания в движении) это может быть актуальным.

2.     Расстояние, на которое могут передаваться данные (расстояние от датчиков до весового индикатора).

Тут конечно выигрывают цифровые датчики по сравнению с аналоговыми. Цифровой сигнал может быть передан на 1000 – 1200 метров, без существенного ухудшения качества,  в отличии от аналогового: до 200 метров.

3.     При замене цифровых тензодатчиков не требуется калибровка и поверка весов. Так ли это?  

И да, и нет! То есть теоретически можно поменять цифровой датчик, и зная определенные коэффициенты калибровки (информации о характеристиках преобразования из сопроводительной документации на датчик) прописать их в весовом приборе. Этого достаточно для восстановления работоспособности  весов. Работать весы будут, стремясь к среднему классу точности. Но без калибровки весов образцовым грузом, работать на таких весах противозаконно (согласно существующим техническим регламентам и ГОСТов). Все номера датчиков, установленных в автомобильные весы,  записываются в паспорт, в котором поверитель ставит свою подпись и печать, свидетельствующую о том, что весы соответствуют среднему классу точности и готовы к применению.

И при замене любого из датчиков необходимо приглашать метролога (поверителя) с образцовым грузом и заново делать поверку весов. И после этого внести изменения в паспорт на весы, записав там новый номер установленного датчика.

4.     Какие же тензодатчики точнее, цифровые или аналоговые?

Это изначально неправильный вопрос. Точность датчиков веса, как и весов в целом, определяется границами допускаемых абсолютных погрешностей измерения выраженных в единицах массы через е – цену поверочного деления. И не зависит от того аналоговый датчик или цифровой.

Точность датчиков выражается Классом Точности (по OIML это С2, С3, С4, С5), и определяется уровнем разработки, технологическими и метрологическими возможностями предприятия – производителя датчиков.

То есть точность цифровых и аналоговых датчиков одинакова, при условии, что эти датчики одного класса точности.

5.     В каких системах можно видеть показания  каждого датчика в отдельности? И зачем это?

Информация с аналоговых тензодатчиков оцифровывается только после того как просуммируется в соединительной коробке. То есть получить данные в цифровом виде от каждого датчика мы не можем. Мы видим цифровой код, а в дальнейшем вес, со всех датчиков, а не с каждого по отдельности. В цифровых датчиках оцифровка сигнала происходит сразу в тензодатчике, то есть данные мы получаем от каждого датчика.

Зачем это нужно?  Если необходимо  сравнивать или анализировать значения веса с каждого тензодатчика, например в вагонных или автомобильных весах определить центр тяжести или ровнозагруженность вагона, аналоговые датчики без дополнительных устройств нам не подойдут.

6.     Взаимозаменяемость тензодатчиков разных производителей и работа с разными весовыми индикаторами.

В настоящее время не существует взаимозаменяемых цифровых тензодатчиков разных производителей.  По взаимозаменяемости датчиков разных производителей аналоговые датчики являются предпочтительными.

Цифровые тензодатчики разных производителей имеют свои протоколы обмена данными, следовательно, при замене необходимо менять датчик только на такой же. И работают данные датчики только со «СВОИМ» фирменным  цифровым индикатором или программным обеспечением.

В аналоговых системах все существенно унифицированнее. Мало того, что датчики почти всех известных мировых производителей взаимозаменяемы, так и весовой прибор с ними можно использовать любого производителя, лишь бы он подходил по техническим характеристикам.

7.     Какие тензодатчики более надежные: аналоговые или цифровые?

Мы все знаем, что чем меньше элементов в системе, тем меньше вероятность выхода ее из строя. Наличие дополнительной электронной платы в конструкции цифрового датчика потенциально ухудшает его надежность.

Однако, надежность электронных компонентов встроенных аналого-цифровых и процессорных элементов, по сравнению с эксплуатационной надежностью упругих элементов, тензорезисторных структур и электронных плат настройки аналоговых датчиков, существенно выше.

По этому необходимо признать, что надежность аналоговых и цифровых датчиков «примерно» равна, несмотря на то, что в цифровых датчиках используется больше электронных элементов.

8.     Цена.

Как правило, все компании утверждают, что цена цифровых датчиков выше, чем аналоговых. И они все почти правы. Точнее немного неправы. Если сравнивать стоимость аналогового датчика немецкого или американского производителя с цифровым датчиком китайского производства, то имеется большая вероятность, что цифровой датчик китайского производителя стоит дешевле. И это абсолютно не говорит о том, что он хуже. На это влияют другие факторы, о которых написано в других статьях.

Ну а если сравнивать стоимость аналоговых и цифровых датчиков одного производителя, то конечно цифровой будет дороже.

9.     Удобство настройки весов, диагностики поломок, сервисное обслуживание.

Давайте по очереди. Начнем с того, что установка тензодатчиков в весы происходит одинаково, так как габаритные размеры одной и той же модели совпадают. Отличается именно настройка самих весов.

Как это происходит? Первым что нужно сделать после установки всех датчиков – это так называемое «выравнивание по углам». В аналоговых датчиках это происходит с помощью резисторов в соединительной суммирующей коробке. Изменяя сопротивление одного из резисторов, мы приводим систему к одинаковым данным. (это делается для того, чтобы в любом месте, где бы не находился груз на платформе, показатели были одинаковы). В цифровых датчиках такая настройка делается с помощью специальных коэффициентов, которые настройщик вводит в память весового индикатора. Вот и все. Разница именно в этом.

Что касается диагностики весов. В цифровых датчиках это очень просто. Весовой прибор сам «покажет» какой именно датчик вышел из строя, так как постоянно опрашивает каждый датчик на работоспособность (так называемая «самодиагностика»).

При выходе из строя аналогового датчика необходимо будет определить поломку отключая из соединительной коробки по одному датчику. Или отключить все и продиагностировать их по очереди. Но, как правило, даже эта усложненность процедуры не займет более получаса у специалиста.

Сервисное обслуживание или замена сломанного датчика происходит одинаково. Отличие заключается в том, что при использовании аналогового датчика необходимо будет снова «подстроить» систему с помощью резисторов. В цифровых – вновь ввести коэффициент. А после необходимо будет провести поверку весов, независимо от вида датчика.

Также многие утверждают, что при выходе из строя одного цифрового датчика, автомобильные весы будут продолжать работать. Безусловно будут, но не один уважающий себя производитель или метролог не возьмет на себя ответственность утверждать, что система работает без дополнительной погрешности.  Эта погрешность зависит, прежде всего, от расположения груза на весовой платформе. И если большая часть веса этого груза будет приходится на неработоспособный датчик – погрешность может увеличиваться в разы.

Итак, вкратце отобразим отличия аналоговых тензодатчиков от цифровых в таблице.

Итог:

Безусловно, с точки зрения удобства диагностики, настройки и обслуживания, цифровые датчики лучше и предпочтительнее в применении. Но лучше и  предпочтительнее в большей степени для производителя и ремонтно-обслуживающих организаций.

Для потребителей (покупателей) электронных весов  явных преимуществ при использовании в весах цифровых датчиков по сравнению с аналоговыми нет.

Основное преимущество аналоговых тензодатчиков:

• Меньшая стоимость, при сравнении одного и того же производителя;
• Возможность взаимозаменяемости аналоговых тензодатчиков разных производителей.

Основные преимущества  цифровых тензодатчиков:

• определение не только общего веса взвешиваемого товара,  но и его распределения (разность загрузки тележек железнодорожного вагона, определение положение смещения центра масс и др.). При построении таких весовых систем на цифровых датчиках, можно знать информацию о действующих нагрузках на каждый датчик в отдельности;
• легкая диагностика поломки тензодатчика;
• передача информации от датчиков до электронной обрабатывающей аппаратуры на расстояние до 1200 м. Это связано с тем, что цифровые каналы передачи информации с точки зрения сохранения точностных свойств сигналов являются более эффективными.