Измерительные преобразователи (датчики)

 

Как Вам уже известно, техническое средство для измерения той или иной величины, включающее в себя конструктивную совокупность ряда измерительных преобразователей и размещенное непосредственно у объекта измерения, называется датчиком.

Измерительный преобразователь (датчик) структурно может быть представлен в виде отдельных элементов: чувствительного элемента (первичного преобразователя), промежуточных преобразователей, нормирующего преобразователя (оконечного преобразователя). Структурная схема измерительного преобразователя (датчика) прямого преобразования представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема измерительного преобразователя (датчика)        прямого преобразования

 

Часто, измерительные преобразователи состоят только из чувствительного элемента, например: термопары, термосопротивления.

Чувствительный элемент предназначен для восприятия измеряемой физической величины и передачи сигнала на последующие элементы. Как правило, выходным сигналом чувствительного элемента является естественный сигнал, пропорциональный измеряемой величине: ток, напряжение, сопротивление, емкость, мощность.

Наряду с измерительными преобразователями прямого преобразования широкое применение получили измерительные преобразователи компенсационного типа, структурная схема которого приведена на рис.2.

Рис. 2. Структурная схема измерительного преобразователя (датчика) компенсационного типа

 

Выходной сигнал измерительного преобразователя с помощью элемента обратной связи подается на вход элемента сравнения преобразователя, где сравнивается с текущим значением измеренной физической величины.

Промежуточные преобразователи, как правило, служат для преобразования измеренной физической величины в такую же физическую величину другого масштаба (масштабные преобразователи) или преобразуют измеренную физическую величину в другую более удобную для последующего преобразования (усиления) форму.

Нормирующий преобразователь предназначен для преобразования естественного сигнала любой природы в унифицированный сигнал тока, напряжения, частоты, давления сжатого воздуха или жидкости.

Современные измерительные преобразователи кроме функции непосредственного измерения и преобразования физической величины (технологического параметра) также могут выполнять функцию индикации с помощью цифровых дисплейных индикаторов.

Средства получения информации — измерительные преобразователи и датчики могут быть классифицированы по ряду признаков.

У каждого измерительного преобразователя датчика различают естественную входную величину, для измерения которой он предназначен. Остальные факторы, влияющие на показания средства измерения, относят к помехам. Точно так же выделяют и естественную выходную величину, имеющую наибольшую связь с естественной входной величиной.

Если измерительный преобразователь имеет одинаковые по физической природе входную и выходную величины, он называется однородным; в противном случае — неоднородным.

Среди однородных измерительных преобразователей можно выделить преобразователи электрических величин в электрические (усилители, трансформаторы, выпрямители, модуляторы и т. п.), пневматических в пневматические (усилители, модуляторы и т. п.), неэлектрических величин в неэлектрические (рычаги, редукторы, мембраны, пружины и т. п.).

Среди неоднородных измерительных преобразователей самую большую группу составляют преобразователи неэлектрических величин в электрические (термопары, тензодатчики, пьезоэлементы, индукционные датчики и т п.). По виду естественной выходной величины эти преобразователи подразделяют на две подгруппы: генераторные, имеющие выходе э. д. с., и параметрические с выходной величиной в виде изменения R, С или L.

Можно выделить преобразователи неэлектрических величин в пневматические (переменное пневмосопротивление элемент сопло-заслонка, пневмотумблер и т п.), электрических величин в неэлектрические (электромагниты, электродвигатели, электронагреватели и т. п.).

Часто название датчика определяется по наименованиям выходной и входной величин чувствительного элемента, например индуктивные датчики давления, реостатные датчики перемещения, емкостные датчики уровня.

Основные свойства датчика, как одного из элементов (конструктивно и пространстветвенно обособленного) системы автоматического управления, определяются его статическими и динамическими характеристиками.

Статическая характеристика датчика определяет функциональную зависимость выходной величины датчика у от входной х [у = f(х)] в установившемся режиме.

Статические характеристики датчиков могут быть выражены аналитически и графически.

По виду статической характеристики различают датчики с непрерывной и с релейной характеристикой. У датчиков с непрерывной характеристикой плавному постепенному изменению входной величины соответствует плавное постепенное изменение выходной величины. У датчиков с релейной характеристикой при некотором значении плавно изменяющейся входной величины происходит резкое, скачкообразное изменение выходной величины.

Если при каком-то значении входной величины датчика (обычно это значение принимается за среднее, или нулевое) происходит изменение знака выходной величины, датчик называется реверсивным, если знак выходной величины не изменяется — нереверсивным.

Если непрерывная статическая характеристика датчика имеет вид прямой линии, она называется линейной, в противном случае – нелинейной.

 На рисунке 3 показаны статические характеристики наиболее распространенных датчиков.

 

у                                               у                                           у 

                                             у₂                                  

                                                                           ∆у

∆х   

                                             у₁                                                                                                                  

                            х                                               х                                            х                      

0                                               0       х₁    х₂                              х_отп х_сраб         

а                                               б                                             в                                  

            у                                       у                                                                                 

                                                         у₂                  ∆у                                                       

                                                            у₁               ά                                                                                

                                                                 у₀ ∆х                        0                                                       

                             х                                                     х                                    х                                                                                                       

           0                                        0                                                       2а                                                 

                                                                                                                                                    

 

 г                                               д                                           е                                      

            у                                            у                                             у                                                                                                                                                                                                       

                                                                                                                                                                                                                                                                                  

                                            -х_сраб -х_отп

                            х                                             х                                            х

-х_отп                  х_сраб                               0 х_отп    х_сраб                        0 0                 

                                                                                                                                              

                                                                                                                                     

ж                                           з                                              и                                 

 

Рисунок 3 Статические характеристики датчиков:

а – непрерывная нереверсивная нелинейная; б — непрерывная нереверсивная линейная; в - релейная нереверсивная; е — непрерывная реверсивная нелинейная; д — непрерывная реверсивная линейная; е — нелинейная реверсивная с зонной нечувствительности 2а; ж — релейная реверсивная двухпозиционная; з — релейная реверсивная трехпозиционная; и – непрерывная реверсивная с петлей гистерезиса (с зоной нечувствительности).

 

Непрерывные характеристики имеют такие датчики, как термопары, термосопротивления, чувствительные элементы индуктивных датчиков, тензо-пьезодатчиков, фотодатчики и др. Теоретически статические характеристики почти всех этих датчиков нелинейны, но практически в рабочем диапазоне эта нелинейность незначительна.

К датчикам с релейной характеристикой относятся различные контактные датчики механических перемещений (например, конечные выключатели), электромагнитные и пневматические реле, электродные (контактные) датчики уровня различных сред, ртутные контактные термометры и т. д.

Непрерывные нелинейные характеристики можно линеаризовать, проведя определенным образом секущую (штриховая линия на рисунке 3, а, г). При небольшой зоне нечувствительности можно линеаризовать и характеристику, показанную на рисунке 3, е, заменив ее штриховой; возможно это и при небольшой величине петли гистерезиса. Если у характеристики с зоной нечувствительности используется одна ветвь (нереверсивная), стараются работать на линейной части характеристики после зоны нечувствительности.

Линеаризация, позволяя значительно упростить расчеты и анализ систем автоматического регулирования, ведет при этом к дополнительным ошибкам, поэтому нужно, чтобы реальные характеристики датчиков были близки к линейным непрерывным характеристикам.

В общем случае аналитическое выражение для непрерывной линейной характеристики (рисунок 3, д) записывается как уравнение прямой линии, не проходящей через начало координат:

у = у_о + Sх.

Коэффициент называют чувствительностью датчика.

Для нелинейных характеристик величина  не является постоянной величиной.

Для однородных преобразователей величину S называют коэффициентом усиления.

Порогом чувствительности датчика называют по абсолютному значению величину входного сигнала, при которой начинает изменяться выходной сигнал. В зоне пороговой нечувствительности выходной сигнал остается постоянным при изменении входного сигнала. Для характеристики на рисунке 3, е при начальных значениях порог чувствительности определяется величиной а.

Для статических характеристик релейных датчиков можно определить коэффициент возврата К_В (см. рисунок 3, в, ж, з)

.

Релейные датчики по сравнению с непрерывными обладают такими преимуществами, как простота и высокая надежность, высокий коэффициент усиления по мощности.

Динамическая характеристика датчика определяет изменение его выходной величины во времени при изменении входной величины.

Большинство простых промышленных датчиков (датчики температуры, давления, перемещения) по динамическим свойствам можно отнести к апериодическому звену первого порядка с постоянной времени Т, характеризующей их инерционность. Небольшой величиной запаздывания τ обычно пренебрегают.

В техническом паспорте инерционность датчика характеризуется быстродействием (ч, мин, с), определяемым отрезком времени от момента подачи на вход скачкообразного воздействия до момента установления на выходе значения выходной величины, равной 0,67 установившегося значения при нулевых начальных условиях. Для апериодического звена первого порядка эта величина равна величине постоянной времени Т.

Если инерционность (быстродействие) датчика значительно меньше (больше), чем инерционность (быстродействие) объекта измерения, то в практических расчетах динамические свойства датчика (постоянные времени, запаздывание не учитывают. Датчик рассматривают как безынерционное звено с коэффициентом усиления, равным чувствительности датчика S.

Качество работы датчика характеризуется погрешностью его измерений. Погрешность оценивается по отношению к номинальной характеристике датчика, определяемой как некая средняя линия для множества статических характеристик датчиков данного типа (партии) и приводимая обычно в техническом паспорте на данный датчик.

Различают статическую и динамическую составляющие погрешности. Величина статической составляющей не зависит от скорости изменения измеряемого параметра и динамических свойств датчика, а величина динамической составляющей зависит как от скорости изменения измеряемого параметра, так и от его динамических свойств. Увеличение быстродействия датчика уменьшает динамическую составляющую погрешности.

Следует отличать погрешность измерения датчиком данной величины от общей погрешности измерения заданного параметра объекта. На общую погрешность может оказать влияние, например, неправильный выбор места установки датчика на объекте, нарушение условий его эксплуатации и т. п.

Погрешность измерения датчика находится по отклонению его реальной характеристики от номинальной (рисунок 1 и определяется как разность

∆у = у_р — у_н или ∆х=х_н - х_р.

Это так называемые абсолютные погрешности измерения по выходной и входной величинам, выраженные в единицах измерения этих величин.

Абсолютная погрешность не может служить мерой точности датчика, так как, например ∆ х = 0,5 В при х = 1000 В достаточно мало, но при х = 1 В очень велико. Поэтому вводят понятие относительной погрешности

.

Так как величина относительной погрешности изменяется при величины х и у, а при х или у равном нулю становится равной бесконечности, вводят понятие приведенной погрешности.

Метод уравновешивания позволяет получать меньшую результирующую погрешность, чем метод прямого преобразования. Погрешности прямых преобразователей, охваченных обратной связью, практически не оказывают влияния на результаты измерения, и чувствительный элемент работает при малых отклонениях.

В реальных конструкциях датчиков различают по виду сигнала обратной связи схемы с механической и электрической (или пневматической) компенсацией. Среди схем с механической компенсацией выделяют схемы компенсации перемещения и схемы силовой компенсации.

Наибольшее распространение получают в последнее время компенсационные статические схемы с силовой компенсацией.

К современным датчикам, обеспечивающим высокую эффективность их использования в автоматических системах управления на обогатительных фабриках, предъявляют следующие требования:

- высокая точность, определяемая классом прибора, в пределах 0,5-1,0 и только для ряда датчиков (датчиков расхода загрязненных сред, датчиков вещественного состава и т. п.) в пределах 1,5-2,5;

- малый порог нечувствительности в пределах 0,1-0,05%;

- непрерывная и линейная зависимость для параметров объекта, требующих точного регулирования;

- высокая надежность в заданных условиях эксплуатации с вероятностью безотказной работы в пределах 0,9-0,95 за 2000 ч;

- малая инерционность (высокое быстродействие), на порядок меньше (выше), чем по данному параметру у контролируемого объекта;

- отсутствие заметного влияния на контролируемый объект среду, т. е., как правило, чувствительные элементы датчиков должны быть малогабаритными;         

- высокая стабильность показаний и устойчивость к внешним помехам;

- возможность работы в агрессивных, пожаро- и взрывоопасных средах;

- потребление небольшой мощности;

- высокая унификация (по параметрам выходных сигналов габаритам и т. п.);

- удобство в обслуживании и ремонте.

Ряд требований (малые себестоимость и габариты), находятся в противоречии с другими требованиями (высокая точность, надежность и т. п.), поэтому при выборе датчика необходимо предъявлять к нему разумные, обоснованные требования и учитывать экономический эффект от его внедрения.

Общепромышленные датчики широкого назначения.

Среди большого количества промышленных датчиков выделить датчики, которые применяются очень широко в различных отраслях промышленности в качестве самостоятельных источников информации и как составные элементы других, более сложных датчиков. К этим датчикам можно отнести датчики механических перемещений, усилий, давления и перепада давления, расхода жидкости и газов, температуры.

Датчики механических перемещений могут быть применены как самостоятельные устройства для контроля положения движущихся объектов или их частей; но главным образом их применяют как преобразующие элементы в других датчиках и устройствах.

Для контроля дискретных положений каких-либо движущихся объектов или отдельных частей устройств применяют обычно датчики, имеющие релейную статическую характеристику (см. рисунок 3, в). Наиболее распространены контактные электрические датчики, в которых под действием движущегося элемента происходит резкое скачкообразное перемещение (замыкание или размыкание) подвижных контактов. Это приводит к релейному изменению тока в измерительной цепи, которое фиксируется каким-нибудь электромагнитным реле. Датчики крайних положений называются конечными выключателями, а промежуточных — путевыми или просто контактными датчиками положения.

В пневматических механических выключателях при нажатии на входной элемент происходит закрытие или открытие пневматического канала, что приводит к резкому возрастанию или уменьшению давления воздуха в измерительной цепи, которое в дальнейшем преобразуется в релейный пневматический или электрический сигнал. Пневматические выключатели применяют во взрывоопасных или очень увлажненных средах.

Преимуществами релейных датчиков механических перемещений являются их простота и дешевизна.

 

Вопросы.