Лекция №9. Тема лекции:Характеристики датчиков и линии связи измерительных устройств

Тема лекции: Характеристики датчиков и линии связи измерительных устройств.

Цель лекции: Анализ характеристик датчиков, важных при подборе допустимых замен в процессе эксплуатации и особенностей различных линий связи, через которые они подключаются к средствам управления.

Датчики предназначены для преобразования физической величины в электрический сигнал, который вводят в управляющее устройство. Датчик содержит чувствительный и преобразующий элементы, к которым подводится напряжение питания U _п (рис. 9.1). Напряжение на выходе преобразователя U _вых зависит от физической величины.

Рис. 9.1. Структура преобразователя физической величины в электрический сигнал U_вых

Выходной сигнал датчика может быть трех видов (рис. 9.2):

– аналоговый, пропорциональный физической величине;

– цифровой, при котором значения аналоговой величины преобразуются в цифровую форму, например в цифровом приборе;

– бинарный, при котором каждому значению физической величины соответствует комбинация нулей и единиц.

а б в

Рис. 9.2. Форма выходного сигнала датчика:

а – аналоговый; б – цифровой; в – бинарный

Следует различать применение датчиков в задачах диспетчерского контроля и автоматического управления процессом (рис. 9.3).

В задачах контроля (рис. 9.3, а) диспетчер с помощью датчиков оценивает ход технологического процесса Y (t) и корректирует управляющее воздействие X (t). От датчиков не требуется высокой точности, поскольку неточная информация о процессе компенсируется опытом диспетчера. В задачах автоматического управления (рис. 9.3, б) датчики должны соответствовать специальным требованиям по погрешности, разрешающей способности, чувствительности, линейности и времени отклика, поскольку их сигналы должны быть согласованы с системой автоматического управления.

а б

Рис. 9.3. Режимы управления процессом производства:

а – диспетчерский контроль; б – автоматическое управление

Погрешность измерения – это максимальная разность между измеренной и действительной физической величиной. Если измеритель перемещений имеет погрешность ±2 мм, то любое измерение может отличаться от действительной величины до 2 мм в ту или иную сторону. Часто погрешность выражают в процентах по отношению к полной шкале и называют приведенной погрешностью.

Разрешающая способность показывает наибольшую точность, с которой измеряют величину. Она меньше погрешности и равна разности между соседними отсчетами измерения. Например, разрешающая способность линейки с делениями через 1 мм равна 1 мм.

Чувствительность – это отношение изменения выходного сигнала преобразователя к изменению входного сигнала. Если при перемещении объекта на 10 мм выходной сигнал изменяется от 10 до 100 В, то чувствительность преобразователя равна

(100 – 10): 10 = 9 В/мм.

Линейность является важнейшей характеристикой преобразователя. При линейной характеристике (рис. 9.4, а) выходная и входная величины связаны постоянным коэффициентом, поэтому для формирования сигнала можно применять простые усилители. Линейная характеристика имеет предел, после которого выходная величина не реагирует на изменение входной величины. При нелинейной характеристике (рис. 9.4, б) приходится разрабатывать специальный нелинейный преобразователь сигнала датчика. Иногда нелинейную характеристику линеаризуют – представляют в виде последовательности линейных характеристик на ограниченных участках 0 – X ₁, X ₁ – X ₂ (рис. 9.4, в).

Рис. 9.4.Характеристики преобразователя:

а – линейная; б – нелинейная; в – линеаризованная

Гистерезис показывает, что выход преобразователя зависит от того, увеличивается или уменьшается входная величина (рис. 9.5). В этом случае оценивают ширину петли гистерезиса с, которая показывает, какие значения принимает выходная величина y при одном и том же значении входной величины x, но разном направлении ее изменения.

Повторяемость показывает, что каждому значению входного сигнала соответствует одно и то же значение выходного сигнала преобразователя.

Время отклика D t равно времени, через которое выходная величина y достигнет установившегося значения после изменения входной величины x (рис. 9.6).

Полоса преобразования характеризует полосу частот входного сигнала, которую пропускает преобразователь. Чем шире полоса преобразования, тем меньше время отклика.

По принципу связи физической величины с электрическим сигналом датчики ведут абсолютный или относительный отсчет. В первом случае каждому значению физической величины соответствует свое значение электрического сигнала. Во втором случае ведут отсчет от некоторого значения физической величины, считая его нулевым значением.

По виду взаимодействия с объектом датчики могут быть контактными и бесконтактными. В первом случае чувствительный элемент датчика механически взаимодействует с объектом, а во втором механического контакта нет.

Выходной сигнал датчика подается на вход обрабатывающего устройства, например на входную клемму контроллера. для корректной передачи сигнала между ними должны быть согласованы диапазоны и уровни сигналов, входные и выходные сопротивления.

Большинство датчиков, применяемых в системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Как правило, при управлении измеряются следующие физические величины:

o электрические и магнитные характеристики;

o параметры движения;

o сила, момент и давление;

o температура;

o уровень заполнения емкости;

o расход;

o плотность, вязкость и консистенция;

o концентрация (газа, жидкости, растворенных и взвешенных веществ);

o химическая и биохимическая активность.