Электрические датчики физических величин и параметров технологических процессов

В результате изучения материала главы 2 студент должен:

знать

• • методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
• • современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности;

уметь

• участвовать в подготовке технико-экономического обоснования проектов создания систем и средств автоматизации и управления;

владеть

• навыками проведения технического оснащения рабочих мест и размещения технологического оборудования.

Виды датчиков с электрическим выходом

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений состояния элементов и комплексов технических устройств, входящих в структуру АСУ. Для получения информации об их состоянии используют датчики.

Понятие «датчик» естественно ассоциируется с техникой измерений. Обобщенный термин «датчик» укрепился в связи с развитием САУ, как элемент цепочки «датчик — устройство управления — исполнительное устройство — объект управления». В качестве отдельной категории использования датчиков в системах автоматической регистрации параметров можно выделить их применение в системах автоматизации научных исследований и экспериментов.

В литературе встречаются различные определения датчиков:

• • чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной природы, например — пневматический сигнал;
• • законченное изделие на основе указанного выше элемента, включающее в зависимости от потребности устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в системы управления. В этом случае чувствительный элемент датчика часто носит название «сенсор»;
• • датчиком называется часть измерительной или управляющей системы, представляющая собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, включающую преобразователь вида энергии сигнала;
• • датчик — конструктивно обособленная часть измерительной системы, содержащая один или несколько первичных преобразователей.

Эти определения соответствуют практике использования термина производителями датчиков. В первом случае датчик — это небольшое, обычно монолитное устройство электронной техники, например терморезистор, фотодиод и т. п., которое используется для создания более сложных электронных приборов. Во втором случае — законченный по своей функциональности прибор, подключаемый по одному из известных интерфейсов к системе автоматического управления или регистрации, например фотодиоды в матрицах (фото) и др. В третьем и четвертом определении акцент делается на том, что датчик является конструктивно обособленной частью измерительной системы, воспринимающей информацию.

Датчики (в литературе также их называют измерительными преобразователями или сенсорами) являются элементами систем автоматизации, с помощью которых получают информацию о состоянии системы управления. В САУ сигнал от датчика подается на устройство сравнения с заданным сигналом (уставкой), разность этих сигналов подается на усилитель, а усиленный сигнал действует на исполнительный орган, изменяющий состояние регулируемого объекта.

Как уже отмечалось, датчик преобразует входную величину в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего движения информации. «Преобразователь» — термин более общий, так как любой элемент автоматики, имея вход и выход, является преобразователем. В простейших случаях датчик осуществляет только одно преобразование. Например, температуру в ЭДС (в термопарах) или перемещение — в изменение параметров электрической цепи (индуктивные датчики). Однако в ряде случаев делается не одно преобразование, а осуществляется функциональное преобразование у = Z (Jx)).

Датчики являются важнейшим узлом систем автоматики, так как их неточность влияет на работу системы в целом. В реальных условиях датчики находятся в местах с более агрессивной внешней средой, чем остальные узлы систем автоматики, и их практически невозможно защитить от воздействия высоких температур, вибрации, экстремальных моментов и сил, а также других факторов. На работу датчиков также могут влиять всевозможные сигналы случайного характера, так называемые измерительные шумы. Учитывая вышеприведенные обстоятельства, к датчикам предъявляются следующие, достаточно высокие технические требования:

• 1) зависимость между величинами на входе и выходе должна быть однозначной, г. е. гистерезис характеристик должен быть минимальным или отсутствовать;
• 2) высокая селективность — выход датчика должен зависеть только от измеряемого входа, а нс от посторонних сигналов или измерительных шумов;
• 3) величина на выходе должна зависеть от входной величины линейно, т. е. датчик должен иметь линейную характеристику;
• 4) датчик должен иметь достаточную чувствительность и стабильные во времени характеристики. Чувствительность s выражается как s = dY/dX, где clY, dX — приращения выходной величины датчика Y и измеряемой величины Х
• 5) сигналы датчика должны действовать в направлении от входа к выходу, влияние нагрузки на работу датчика должно быть минимальным или отсутствовать;
• 6) датчик должен иметь высокое быстродействие;
• 7) датчик должен быть устойчивым к воздействиям внешней среды.

Классификация датчиков. Датчики можно классифицировать по различным признакам. Одной из таких возможностей является их разделение по входным и выходным величинам. При этом наибольший интерес представляют датчики механических, термических, оптических и электромагнитных величин с электрическим выходом, представленные в табл. 2.1.

Приведенные в табл. 2.1 датчики с электрическим выходом имеют ряд преимуществ перед другими. Электрические величины легко преобразовывать и передавать на расстояние с большой скоростью. Их можно преобразовывать в цифровой код. По принципу действия различают датчики генераторные и параметрические, а также:

• • оптические датчики (фотодатчики);
• • ультразвуковые и струнные датчики;
• • пьезоэлектрические и тензодатчики;
• • индуктивные и трансформаторные датчики;
• • емкостные датчики;
• • магнитоэлектрические на основе эффекта Холла;
• • тепловые датчики.

Ниже будут рассмотрены наиболее распространенные типы датчиков. При этом основное внимание уделяется принципам построения датчиков того или иного вида, их достоинствам и недостаткам, областям применения. Более детальное описание датчиков и их характеристик приводится в соответствующей справочной литературе, к которой необходимо обращаться во всех случаях, связанных с построением конкретных систем управления.