Потенциометрлік датчиктер

Датчиктер

Оларды кластарға топтастыру

Орындалатын операцияны сипаттайтын параметрлердің мәндері туралы ақпарат болғанда ғана технологиялық процестерді автоматтандыруға болады.

Автоматиканың техникалық құралдарындағы ақпарат – адаммен сапа жағынан қабылданатын технологиялық процестердің сипаттамалары мен параметрлерінің сандық мөлшері. Мысалы, бар - жоқ, ыстық – салқын, төмен – жоғары, құрғақ – дымқыл ж.т.б.

Ақпаратты жинау және оны санды жағынан бағалау үшін, әр түрлі электрлік және бейэлектрлік датчиктер керек. Мысалы, технологиялық процестердің АБЖ екі мың шамасында параметрлерді өлшеуді керек етеді.

Датчик (түрлендіріп бергіш) – процестің параметрлерін өлшейтін және өлшенген физикалық шамаларды одан әрі қарай өңдеуге және қашықтыққа беруге қолайлы сигналға түрлендіретін құрылғы.

Датчик – бақыланатын шаманы (қысым, температура, жылдамдық, жарық күші, электр тогы, кернеу т.б.) өлшеуге, таратуға, өзгертуге, сақтауға және тіркеуге, сонымен қатар басқарылатын процестерге, әсер етуші сигналға түрлендіруші өлшеуіш, сигнал бергіш, реттеуіш немесе басқарушы жүйе құрылғыларының элементі. Датчик құрамында әсер қабылдағыш (сезгіш) және бірнеше аралық өзгерткіш элемент болады.

Әдетте датчиктің шықпасында немесе механикалық параметрлер (күш, ығысу жолы, жылдамдық) немесе электрлік шамалар (кернеу, ток, кедергі, сыйымдылық, индуктивтік, фазалар ығысуы ж.т.б.) болады. Электрлік параметрлерді өлшеу, тарту жеңіл келеді, сондықтан электрлік датчиктер кең таралған.

Бейэлектрлік параметрлерді алдын ала датчиктердің көмегімен электрлік шамаға түрлендіреді. Содан соң осы жанамалы бірақ айтарлықтай дәл ақпаратты АБЖ – нің келесі элементіне береді.

Кез келген өндірісті, әсіресе ауылшаруашылық өндірісін, автоматтандыруда ең қиын және жауапты мәселелердің бірі – автоматтандырылатын процестерді толық суреттейтін (бейнелейтін) және бақылайтын датчиктерді ойлап құрастыру.

Технологиялық процестерді автоматтандыру деңгейі, көп жағдайда датчиктердің жетілдірілгендігімен анықталады. Өкінішке орай, осы күнге дейін ауылшаруашылық нысандарының арнайы параметрлерін өлшеуге арналған датчиктер жасалынған жоқ. Мұндай параметрлерге, мысалы, сүттің майлылығын, дәннің тұқымдық қасиетін, жануарлар мен өсімдіктердің физиологиялық қасиеттерін жатқызуға болады.

Жалпы түрінде датчик бір физикалық шаманы басқа шамаға түрлендіруге немесе бір физикалық шаманың санды мәнін өзгертуге арналған бір немесе бірнеше қарапайым түрлендіргіштерден тұрады. Қарапайым түрлендіргіштердің ішінде ең маңыздысы бұл қабылдағыш орган (сезгіш элемент немесе өлшеуіш орган) саналады. Ол басқарылатын шаманың тұрақталған мәннен ауытқуын сезеді және осы ауытқуды белгілі сигнал түрінде басқа түрлендіргіштерге береді.

Әрекет ету принципі бойынша датчиктерді генераторлық және параметрлік деп екі үлкен топқа бөледі.

Генераторлық датчиктерде бақыланатын Х параметр қабылдағыш органда тікелей шықпалық У шамаға түрленеді. Қосымша қоректену көзі керек болмағандықтан бұл датчиктер өте қарапайым келеді. Кірмелік Х сигналды шықпалық У сигналға түрлендіру кірмелік сигнал энергиясының есебімен жүзеге асырылады.

а) Генераторлық датчиктер

Датчиктердің функционалдық сұлбалары

ВО – воспринимающий орган; ҚО - қабылдағыш орган

б) Параметрлік датчиктер

ПП- промежуточный преобразователь; АТ - аралық түрлендіргіш;

ИП - источник питания; ҚК - қоректендіру көзі;

в) Кері байланысты датчиктер

ОС - обратная связь КБ - кері байланыс

Параметрлік датчиктердің құрамына қабылдағыш органнан (ҚО) басқа аралық түрлендіргіш (АТ) және қосымша қоректендіру көзі (ҚК) кіреді. Бұл датчиктерде бақыланатын Х параметр қабылдағыш органда (ҚО) қоректендіру көзі (ҚК) энергиясының есебінен аралық Ха шамаға түрленеді. Содан соң аралық (АТ) түрлендіргіштің көмегімен шықпалық У сигнал қолайлы пішінге және белгілі мәнге дейін жеткізіледі.

Кері байланысты датчиктер ең жетілдірілген болып саналады. Бұл датчиктер заттың қасиетін өлшеуге және жоғары жиілікті акустикалық немесе электрмагниттік толқындардың шағылысуы бойынша материалдардағы ақауларды (дефектілерді) табуға арналған, сондай-ақ оптикалық және радиоизотоптық датчиктер де пайдаланылады.

Кері байланысты датчиктердің (жақсы жақтары) артықшылықтары:

- сыртқы ауытқуларға (температураның, қоректену кернеуінің ауытқулары) сезгіштігі азырақ:

- тұрақты жұмыс істеуі артығырақ;

- дәлдігі жоғары, өйткені теріс кері байланыс қабылдағыш орган мен түрлендіргіш қателіктерінің әсерін төмендетеді.

Кемшіліктері:

- қиыстырмасы күрделі;

- құны жоғары;

Шықпалық У сигналдың уақыт бойынша өзгеру сипатына орай датчиктер үзіліссіз әрекет ететін және дискретті әрекет ететін болып бөлінеді.

Үзіліссіз әрекет ететін датчиктерде сигнал үзіліссіз беріледі. Дискретті әрекет ететін датчиктерде белгілі уақыт аралығында шықпалық сигналдың мәні нөлге тең болады.

Датчиктерді сипаттайтын негізгі параметрлер ге олардың сезгіштігі және инерциялығы жатады.

Датчиктің сезгіштігі S шықпалық параметрі ∆у(dу) өзгеруінің оның кірмелік шамасының ∆х(dх) өзгеруіне қатынасымен анықталады;

немесе ;

Яғни сезгіштік шықпалық параметрдің кірмелік шамадан тәуелділігін білдіретін функцияның бірінші туындысы ретінде анықталады.

Қалыптасқан режимдегі сезгіштік датчиктің күшейткіш коэффициенті деп аталады.

Инерциялық басқарылатын шаманың мәнін өлшеуде болатын кейбір кешігуді көрсетеді. Оған датчик бөлшектерінің массасы, датчиктің жылулық қасиеттері, индуктивтілігі, сыйымдылығы және басқа параметрлері себепші болуы мүмкін.

Қабылдағыш элементтер мен датчиктердің негізгі типтерін қарап өтеміз.

1 Омдық қабылдағыш элементтер (бірінші түрлендіргіштер) және датчиктер

Датчиктің аты оның арналымының және қабылдағыш элементтің атынан пайда болады. Омдық (реостаттық) қабылдағыш органдарды (ҚО) бақылау датчиктерінде, сызықтық және бұрыштық орын ауыстыруды, моменттер күштерін және басқа бейэлектірлік шамаларды өлшеу датчиктерінде пайдаланылады.

Бұлардың қатарына түйіспелік, потенциометрлік, көмір, тензометрлік және әрекет ету принципі өлшенетін кірмелік параметрдің әрекетінен арнайы элементтің омдық кедергісінің өзгеруіне негізделінген басқа бірінші түрлендіргіштер жатады.

Датчиктердің жақсы жақтары

- қиыстырмасының қарапайымдылығы;

- инерциясыздығы;

- тұрақтылығы;

- сезгіштік коэффициентінің үлкендігі;

- шықпасындағы сигнал қуатының жеткіліктілігі;

2 Түйіспелік датчиктер

Олар өздерінің түйіспелерін түйістіріп немесе ажыратып механикалық әрекеттерді және тұрақты немесе айнымалы ток электр импульстерін түрлендіреді.

Түйіспелік қабылдағыш органдар (бірінші түрлендіргіштер) көмегімен датчиктер күштерді, аралық және шекті жылжуды, бұйымдардың пішіні мен өлшемдерін өлшейді және бақылайды. Түйіспелердің аралығындағы бастапқы саңылау датчиктердің сезгізгіштік аймағын анықтайды. Түйіспелі датчиктер бір шектілі және көп шектілі болуы мүмкін.

Түйіспелік датчиктердің негізгі кемшіліктері:

- үзіліссіз бақылауды қамтамасыз етудің күрделілігі;

- түйіспелік жүйенің жұмыс істеу уақытының шектілігі;

Потенциометрлік датчиктер

Бақыланатын орын ауыстыру бірінші түрлендіргішке беріледі және өзінің электрлік кедергісінің өзгеруі себебінен айнымалы немесе тұрақты кернеуге түрленеді. Осы датчиктердің резисторлы потенциометр сұлбасы бойынша (жалғанады) қосылады. Потенциометрдің жылжымалы түйіспесі бақыланатын орын ауыстырғышқа (нысанға) бекітілген. Нысанның орны өзгергенде екінші П аспапта кернеу өзгереді. Прибор бақыланатын параметрдің өлшеу бірлігінде бөліктендірілген (градусталынған).

Датчиктің Іn = f(Rά) сипаттамасын түзу сызыққа жақын жасауға ұмтылады.

Егер шықпалық сигналдың таңбасы қозғалтғыштық жылжу бағытына сәйкес келуі қажет болса, орта нүктесі бар потенциометр пайдаланылады.

Потенциометрлік датчиктер реостат (3.3, а, б сур.) немесе потенциометр (кернеу бөлгіш) (3.3, в сур.) сұлбасы бойынша қосыла алады. Қосу сұлбасына сәйкес жылжымалы жанаспаның ығысуы не ток (тізбектей қосқанда), не кернеу (бөлгіш сұлбасы бойынша қосқанда) өгерісіне түрленеді.

Потенциометрлік датчиктің сипаттамасы мен сезгіштігін аналитикалық әдіспен есептейді.

а) суретінде келтірілген сұлбаға мынадай теңдеулер құруға болады

; ;

I = In+Ix;

Ucт = I(R-Rx) + I_n∙R_n

Теңдеулерді шешкенде

;

1 – жылжымалы жанаспа; 2 - реахорда

Жылжымалы жанаспалы бұрыштық (а) және

сызықтық (б) ығысатын датчиктер, в – кернеу бөлгіш сұлбасы

Егер R_п ≥ (8…10) R болса:

;

Шықпалық І_n және U_n кірмелік Х шамаға тура пропорционалды.

Датчиктің сезгіштігі

; (А/м)

Сымдық потенциометрдің сезгізшіз аймағы сымның диаметрі мен анықталады, өйткені жылжымалы түйіспе сымның диаметріне тең қашықтыққа орнын ауыстырғанда, потенциал секірмелі түрде мәніне өзгереді.

Потенциометрі тұтас жартылай өткізгіш қабілетпен қапталған датчиктерде сатылық қатесі болмайды.

Жақсы жақтары:

- жоғары дәлдігі;

- сипаттамасының тұрақтылығы;

- құрастырымының қарапайымдылығы;

- өлшемдерінің кішілігі;

- шықпалық қуатының жеткіліктілігі (молдығы)

Осы себептен осындай датчиктер кең таралған.

Кемшіліктері:

- жылжымалы бөлшектерінің болуы;

- жылжымалы түйіспенің болуы.

Бұл датчиктердің сенімділігін төмендетеді.

4 Көмір датчиктер

Көмір қабылдағыш элементтер өздеріне әрекет ететін күшті электрлік кедергіге немесе ток күшіне түрлендіреді. Кірмелік шама - өлшенетін күш, ал шықпалық параметр – сондағы электрлік кедергі немесе ток күші.

Көмір датчиктердің екі түрін ажыратады:

1) Бағаналар түрінде дайындалған;

2) Тензолиттер – басқа оқшаулағыш лакпен араластырылған көмірдің, графиттің немесе күйенің ұнтақтары қарапайым көмір датчик қалыңдығы 1-2 м және диаметрі 5-10 мм, 10-15 мм бірден екіге көмір шайбалардан (1) жиналады.

Бағандардың екі шетіне түйіспелік дискілер (2) және тіректік құрылғылар (3) бекітіледі. Құрылғылар арқылы дискілерге күш беріледі.

Көмір бағананың электрлік кедергісі дискілердің өзіндік кедергісінен және дискілер арасындағы өтпелі кедергілерден құрастырылады. Өтпелі кедергі дискілерге әрекет ететін қысу күшінен тәуелді келеді.

Суретте датчик кедергісінің R және шықпалық ток күшінің I_n қысу күшінен F тәуелділігі берілген.

Датчиктің кедергісі

R = R_o + ,

мұндағы R_o қысу күші F→∞ болғандағы кедергі, а - тұрақты коэффициент (Ом∙H).

Сезгіштігі S=│ │= .

Ток күші .

Кремний монокристалынан диаметрі 1мм сырық түрінде дайындалатын тензолиттердің мыстан дайындалған шықпалары болады. Олар сыртқы жүктеменің әрекетінен жұмыс бөлшектерінде пайда болатын әртүрлі серпімді деформацияларды өлшеуге пайдаланылады. Датчиктің сезгіштігін жоғарылату үшін бағандарды дифференциалды қосады.

Негізгі кемшіліктері:

- R = f(F) сипаттамасының түзу сызықты еместігі;

- кедергісінің тұрақсыздығы;

- кедергісінің температурадан тәуелділігі;

Дифференциалды қосқанда сипаттамасының түзу сызықты еместігі

айтарлықтай жақсарады.

Тензодатчиктер

Тензометрлік қабылдағыш элементтер (тензодатчиктер) жұмысында материал электрлік кедергісінің оның деформациясынан тәуелділігі пайдаланылады.

Тензодатчик – белгілі тәртіппен төселінген және екі беті арнайы қабыршақпен желімделген жіңішке сым.

Тензодатчик меншікті электрлік кедергісі жоғары болатын (константан, нихром) жіңішке (а = 0,02...0,04 мм) материалдан дайындалады.

Термотүрлендіргішті сыналатын бөлшекке өте берік желім көмегімен желімдейді. Бөлшек деформацияланғанда өзінің геометриялық өлшемдері мен меншікті кедергісін өзгерту нәтижесінде сымның электрлік кедергісі өзгереді.

Өлшемдері:

ұзындығы- 2,5...150 мм;

ені - 3...60 мм;

кедергісі R -100...200 Ом.

∆R∕R салыстырмалы кедергісінің өзгеруін өлшеу бойынша ∆L∕L cалыстырмалы деформацияны анықтайды.Сонда кейін ∆L∕L = f (F) тәуелділігі бойынша F күшті анықтауға болады.

Тензодатчиктердің сипаттамасы түзу сызықты, сондықтан сезгіштігі тұрақты болады.

Материалдың бір бөлігі деформацияланғандықтан датчиктің сезгіштігі материалдың сезгіштігінен төмен болады.

Сезгіштігі S_т; _т ()

Нихромда S_т=2.

Әдетте тензотүрлендіргіштерді көпірлік сұлба бойынша қосады. Олар тензодатчикті құрайды.

Кемшіліктері:

- сезгіштігінің төмендігі;

- температуралық қатесінің болуы;

Өлшеуіш сұлбаларды термоөтемдеу және күшейткіштермен жабдықталған екінші өте сезгішті аспаптарды пайдалану айтылған кемшіліктерді айтарлықтай азайтуға мүмкіншілік береді.

6 Температураны өлшеуге арналған датчиктер

Температураның датчиктерінде жылулық, сызықтық немесе көлемдік ұлғаю коэффициенттерінің, кедергісінің температуралық коэффицентінің термоЭҚК – нің, әртүрлі заттар қысымының, тығыздығының, жабысқақтығының (тұтқарлығының) температурадан тәуелділігі мүмкіншілігінше ең үлкен мәнді болатын материалдар кең пайдаланылады.

6, а. Температураның сұйық датчиктері температураның ΔӨ өзгеруін капиллярдағы сұйық бағанының ΔҺ биіктігінің өзгеруіне айналдырады.

ΔҺ =

мұндағы ∆V=V(β - 3α) ∆Ө - сұйық көлемінің өзгеруі;

S_k– капиллярдың көлденең қимасы;

β – сұйықтың сызықтық ұлғаюының температуралық коэффициенті;

α – капилляр (ампула) материалының сызықтық ұлғаюының температуралық коэффициенті.

Сұйық бағанының биіктігі түйіспелердің күйіне, омдық, индуктивтік, сыйымдылық кедергілердің өзгеруіне немесе жарық ағынының қарқындылығына әсер етеді.

Жақсы жағы: құастырылымының қарапайымдылығы.

Кемшіліктері: дәлдігінің төмендігі, қысқа уақыт жұмыс істеуі.

6, б. Манометрлік датчиктерге сұйық немесе газ (сынап, ацетон, эфир, спирт, азот, инертті газдар және әртүрлі қоспалар) көлемінің жылулық өзгеруі арнайы мембраналардың, сильфондардың немесе манометрлік датчиктердің ығысуына айналдырады.

Кемшіліктері: инерциялығы, өлшеу диапазонының шектілігі.

6, в. Биметалды және дилатометрлік температура релелердің жұмысы қатты денелердің өзінің сызықтық өлшемдерін температура өзгергенде өзгертетін қасиеттеріне негізделген.

Биметалды температура релелерінде қабылдағыш (сезгіш) орган ретінде екі әртүрлі металдан (биметалдан) дайындалған спираль немесе пластина пайдаланылады. Температура өзгергенде пластина температуралық ұлғаю коэффицентті кіші болатын метал жағынан иіледі. Деформация дәрежелі температураға пропорционал. Өлшемі – 60⁰С дан +350⁰С – ға дейін.

Дилатометрлік датчиктерде температуралық ұлғаю коэффициенті кіші болатын металдан жасалынған сырық температуралық ұлғаю коэффициенті үлкен болатын метал түтіктің ішінде орналастырылады. Максимал температурасы 200... 550⁰С. Қыздыру уақытының тұрақтысы – 6... 7 с.

Кемшілігі – қателегінің үлкендігі.

6.2 Кедергінің термометрлерінде (терморезисторларда) кедергінің температурадан тәуелділігі пайдаланылады (мыс, темір, платина, никель).

Өлшеу шегі – 200⁰С – дан + 650 С – ға дейін;

платиналық – ТСП – кедергісі: 10, 46, 100 Ом;

өлшеу шегі – 200⁰С – дан + 650⁰С – ға дейін;

мыс – ТСМ – кедергісі 55 және 100 Ом өлшеу шегі -5⁰С дан +180⁰С – ға дейін.

Жартылай өткізгіштік терморезиторлар дың сезгіштігі өте жоғары болады.

Терморезисторлардың екі тобы болады:

1) кедергісінің температуралық коэффициенті оң таңбалы;

2) кедергісінің температуралық коэффициенті теріс таңбалы.

Термисторларда (оң таңбалы) қабылдағыш (сезгіш) орган мыс – марганецті немесе кадмий – марганецті жартылай өткізгіш ұнтақтан дайындайды.

6, д Электржылулық датчиктер

Мұндай датчиктер температураның өзгеруін электр шамалардың (ЭҚК

немесе кедергі) өзгеріуне түрлендіреді.

Шықпалық шамаға байланысты олар терможұптар (термопара) және термокедергілер болып бөлінеді.

Терможұптар әрекет ету принципі термоэлектрлік эффектіге негізделген. Әр текті екі өткізгіштің балқытып біріктірілген бір ұшын қыздырғанда екінші ұшында термо – ЭҚК – тің (яғни электр тогының) пайда болуына негізделген. Бұл ЭҚК – тің шамасы терможұп ұштарындағы температураның айырмасына тура пропорционалды және оны құрайтын материалдан тәуелді болады.

Температураны автоматты түзету сұлбасы

Пайдаланылатын материалға байланысты терможұптың әртүрлі типтері болады:

ТПП – платинородий (родий 10%) – платина – 1300...1600⁰С – ға дейін.

ТХА – хромель – алюмель – 1300⁰С ға дейін;

ТХК – хромель – камель – 800⁰С – ға дейін;

Мыс – константан – 500...800⁰С – ға дейін.

Жоғары температураны өлшеуге жоғары температурада ғана еритін (баяу балқитын) материалдардан жасалған терможұптар пайдаланылады:

Вольфрам – молибден – 1300...2400⁰С

Вольфрам – тантал – 400...2000⁰С

Терможұптардың сезгіштігі: η =

мұндағы ∆Е – температураның ∆t өзгеруіне сәйкес келетін термо ЭҚК – нің өзгеруі.

Әртүрлі типті терможұптардың сезгіштігі әртүрлі болады. Мысалы, хромель – алюмель терможұп 0⁰С – та η = 39мкВ/град, ал 200⁰С→η13мкВ/град.

Терможұпты сұлбаға қосқанда жұмысшылық емес (бөлшектер) қосылған жерлер температураның өзгеруіне автоматты түзету енгізуді қарастыру керек (сұлбаға қара). ТЖ терможұп тізбегіне көпір жалғанған. Оның бір иініне терможұптың жұмысшылық емес жапсырылған жерінің қасында орналасқан термокедергі R_т жалғанған. Егер терможұптың жұмысшылық емес жерінде температура жоғарыласа, көпір тепе – теңдіктен айырылады да оның шықпасында термо ЭҚК – тің өзгеруін жөндейтін ЭҚК пайда болады.

Терможұптар уақытының тұрақтысы олардың құрастырылымына байланысты секундтың үлесінен бірнеше минутқа дейін болады.

Мысалы: ТХА→40 с; ТХК→17 с.

Термокедергілер. Температураны өлшеудің жоғары дәлдігін термокедергілер қамтамасыз етеді. Олар металдардан немесе жартылай өткізгіштерден дайындалады. Мысалы, платинадан және мыстан. Платинадан дайындалған термокедергілер – 260⁰С – дан 1300⁰С – ға дейін термператураны өлшеуге пайдаланылады. Мысалы, ТСП – 5071 – 200⁰С – дан + 600⁰С – ға дейін.

Орташа температураны өлшеуге мыстан, темірден, никельден дайындалған термокедергі пайдаланылуы мүмкін. Мысалы, ТСМ – 5071 – 50⁰С – дан +150⁰С – ға дейін.

Платина термокедергілерге 50...650⁰С шегінде оның кедергісі мен температураның өзгеруінің арасындағы тәуелділік мына қатынаспен көретіледі.

R_t= R₀ (1+At + Bt²),

мұндағы R₀ – t = 0⁰C – дағы кедергі; А = 3,94∙10^-3; В = - 5,8 ∙ 10^-7 – тұрақты коэффициенттер.

Мыс термокедергілерге

R_t = R₀ (1+αt),

мұндағы α = 4,25∙10^-3 – температуралық коэффициент.

Термокедергілер белгілі пішінді оқшаулағыш (изоляциялық) материалдан

дайындалған қаңқаға оралған спираль түрінде орындалады. Спираль оралған қаңқа метал немесе шыны тұрықтың ішіне орналастырылады.

Қазіргі кезде жартылай өткізгішті термокедергілер – термисторлар – кең

пайдаланылады.