Калькулятор масштабирования сигнала

Как ток или напряжение становятся показанием

Промышленный датчик на небольшом патрубке соединён проводами с лабораторным измерительным прибором

Датчик давления может передавать результат током, а контроллер показывать число в килопаскалях. Чтобы правильно связать эти величины, нужны диапазон электрического сигнала и два соответствующих значения физической шкалы. Один и тот же ток не означает одинаковое давление, температуру или уровень у любых датчиков.

Обычная точка диапазона. Пусть 4–20 мА соответствуют давлению 0–100 кПа. Ток 12 мА находится посередине электрического диапазона и означает 50 кПа. В форме задайте начало 0, конец 100 и сигнал 12. Ответ «50 ед. шкалы» в этом примере читается как 50 кПа: единицу определяют введённые границы.

Можно выбрать три диапазона: 4–20 мА, 0–20 мА и 0–10 В. Направление «Сигнал в значение» переводит известный ток или напряжение в показание. Направление «Значение в сигнал» решает обратную задачу: какой электрический уровень соответствует нужному физическому значению. Модель в обоих случаях линейная.

Две границы задают наклон и смещение

x=x_0+\frac{s-s_0}{s_1-s_0}(x_1-x_0)

Здесь s обозначает известный сигнал, s₀ и s₁ его номинальные границы, x₀ и x₁ соответствующие значения физической шкалы, а x является ответом. Сначала определяется положение сигнала между его границами. Затем та же доля переносится на разность физических значений и прибавляется к началу шкалы.

Для 4–20 мА нижняя точка равна 4 мА, а ширина диапазона составляет 16 мА. Поэтому нельзя просто делить ток на 20 и умножать на максимальное показание. Такой расчёт забудет смещение и даст другое значение даже тогда, когда физическая шкала начинается с нуля.

Температура с отрицательным началом. Если 4–20 мА соответствуют −50…150 °C, ток 8 мА занимает четверть диапазона. Четверть разности температур составляет 50 °C; после прибавления к −50 °C получаем 0 °C. Начало не нужно обнулять вручную или переводить в положительную величину.

Ненулевой старт давления. Для 0–20 мА и шкалы 2–10 бар ток 5 мА означает 4 бар. Электрический ноль соответствует 2 бар, а не нулевому давлению. Настройки диапазона должны совпадать с тем, как передатчик связывает сигнал с измеренной величиной; одно название стандарта этого соответствия не задаёт.

Оба конца шкалы и известное физическое значение вводят в одной единице. Если границы указаны в кПа, обратное значение тоже должно быть в кПа. Отдельного текстового поля единицы нет: запись «ед. шкалы» не выполняет преобразования и не приписывает произвольному числу физический смысл без контекста.

Напряжение и обратная физическая шкала

Вход 0–10 В. Пусть напряжению 0 В соответствует значение 10, а 10 В соответствует 110. При 2,5 В ответ равен 35: к начальному значению прибавляется четверть разности 100. Даже для диапазона, начинающегося с электрического нуля, физический сдвиг может оставаться ненулевым.

Названия «начало» и «конец» описывают соответствие нижнему и верхнему электрическому сигналу. Они не означают обязательное увеличение физического значения. Можно задать начало 100 и конец 0: при росте сигнала показание будет уменьшаться. Наклон такой прямой отрицателен.

Убывающая шкала. Для 4–20 мА с началом 100 и концом 0 ток 8 мА означает 75. При 4 мА получается 100, при 20 мА получается 0. Переставлять электрические границы для этого не требуется; порядок задаётся именно физическими значениями.

Равные начало и конец исключены. Такая шкала не различает положения сигнала, и по её единственному физическому значению нельзя восстановить ток или напряжение. Нулевой конец, отрицательный конец или убывающий порядок сами по себе ошибкой не являются.

Как найти сигнал для заданного значения

s=s_0+\frac{x-x_0}{x_1-x_0}(s_1-s_0)

При обратном расчёте x становится известным значением шкалы, а s является ответом. Два физических конца остаются теми же. Меняется известная величина и её подпись в форме; заново вводить границы при обычном переключении направления не нужно.

Задать проверочную точку. Для шкалы 0–100 и диапазона 4–20 мА значение 25 соответствует 8 мА. Это четверть физической разности, поэтому к начальным 4 мА прибавляется четверть электрической разности 16 мА. Такой расчёт помогает подготовить ожидаемые точки для проверки показаний; сам калькулятор сигнал не формирует.

При смене направления сохраняются отдельно введённые сигнал и физическое значение. Результат не перезаписывает скрытое поле автоматически. Ссылка хранит выбранные направление, стандарт, границы и известное число. Если нужно проверить только что полученный ответ обратным расчётом, введите его в соответствующее поле.

Что означает расчёт вне диапазона

Форма продолжает ту же прямую за заданные границы и явно сообщает об экстраполяции. Например, для 4–20 мА и шкалы 0–100 сигнал 22 мА даёт 112,5. Число не зажимается до 100. При обратном вводе −10 получается 2,4 мА, тоже за пределами выбранного диапазона.

Это математическое продолжение, а не обещание корректного измерения или аппаратного выхода. Реальный передатчик может ограничить сигнал, потерять линейность или использовать отдельные уровни для своих состояний. По одному внедиапазонному числу форма не определяет обрыв, неисправность или допустимость режима оборудования.

Разрешение измерения тоже является отдельным свойством. Калькулятор разрешения АЦП оценивает шаг по напряжению, а здесь связываются два диапазона уже известной линейной величины. Большее число цифр в ответе не увеличивает точность передатчика или приёмного модуля.

Единицы, погрешность и проверка шкалы

При настройке канала полезно отделять математическое соответствие от кодов контроллера и свойств датчика. Два правильных конца ещё не подтверждают линейность всего измерительного тракта; единицы и дополнительные проверки сохраняют самостоятельное значение.

Можно ли вводить сюда сырой числовой код аналогового входа PLC?

Нет, поле сигнала принимает ток в мА или напряжение в В. Целочисленный код модуля сначала переводят в электрическую величину по его документации. Кодовое представление и обработка выхода за диапазон зависят от выбранного входа и устройства. Например, число 16384 нельзя автоматически считать 16,384 мА только из-за похожих цифр.

Как ошибка сигнала переносится в физическую шкалу?

В линейной модели её умножают на абсолютную разность физических концов и делят на электрическую разность. Для 4–20 мА и шкалы 0–100 отклонение 0,1 мА соответствует 0,625 ед. шкалы. Это вклад указанного отклонения сигнала. Он не включает неизвестные ошибки самого датчика, настройки концов и приёмного канала.

Половина шкалы всегда равна половине её максимума?

Нет. Например, для начала 50 и конца 150 середина соответствует 100, хотя половина максимального числа равна 75. Половина шкалы означает начало плюс половину разности концов. Только при физическом начале 0 эти две трактовки совпадают. Для убывающей шкалы середина также находится между её концами.

Как перейти от кПа к бар в физической шкале?

Пересчитайте оба конца и любое известное физическое значение. Например, 0…1000 кПа превращаются в 0…10 бар, а 250 кПа в 2,5 бар. Электрический сигнал для соответствующих точек останется тем же. Изменение одной надписи без пересчёта чисел не меняет их величину. Для проверки единиц используйте конвертер давления.

Подходит ли линейная форма для любого расходомера?

Нужно знать, какую величину передаёт выход устройства и какая характеристика настроена. Если сигнал уже линейно связан с расходом, можно задать соответствующие концы. Если связь нелинейная, двухточечное линейное масштабирование её не воспроизведёт. Эта версия не выполняет извлечение корня и не решает, нужно ли его применять в конкретном канале.

Достаточно двух крайних точек, чтобы проверить линейность?

Две точки задают прямую, но не доказывают, что остальные измерения лежат на ней. Например, для 4–20 мА и шкалы 0–100 на 12 мА ожидается 50. Если реальная проверка даёт 52, совпадение при 4 и 20 мА само по себе не объясняет отклонение середины. Для проверки используют дополнительные точки и учитывают погрешность измерения.

Рассчитанное показание датчика равно мгновенной температуре среды?

Статическая шкала переводит переданный сигнал в показание датчика, но не устраняет его запаздывание. После изменения температуры датчик может ещё приближаться к новому значению. Например, 20 °C в начальный момент после перехода среды к 80 °C не превращаются в 80 °C одним пересчётом тока. Для отдельной модели времени используйте калькулятор отклика температурного датчика.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.