2.2. Принципы построения измерительных преобразователей (датчиков технологических параметров)

Получение информации о состоянии объекта управления обеспечивается с помощью разнообразных устройств, которые предназначены для выработки сигнала, несущего измерительную информацию как в форме, доступной для непосредственного визуального восприятия, так и в форме, пригодной для непосредственного использования в САУ. Соответственно измерительные устройства по виду вырабатываемой ими информации делятся на измерительные приборы и измерительные преобразователи (датчики) (рис. 2.5).

К измерительным приборам относятся устройства [1], предназначенные для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного визуального восприятия. Измерительные преобразователи (ИП) – это устройства, предназначенные для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения сигнала в системах управления, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя.

Различают ИП с естественными и унифицированными выходными сигналами. Измерительные преобразователи с естественными выходными сигналами – устройства, в которых осуществляется первичное (обычно однократное) преобразование измеряемой физической величины. К измерительным преобразователям с естественным представлением информации относится большая группа устройств – термоэлектрические преобразователи, термометры сопротивления, тензорезисторы, дифференциально-трансформаторные датчики. Такие ИП применяются в локальных устройствах контроля и автоматизации либо при централизованном контроле сравнительно простых объектов.

Измерительные преобразователи с унифицированными выходными сигналами имеют на выходе сигналы, предусмотренные соответствующими стандартами; в большинстве случаев применяются унифицированные сигналы, приведенные на рис. 2.5. Для преобразования естественных сигналов в унифицированные предусмотрены нормирующие преобразователи.

В тех случаях, когда первичное преобразование измеряемой величины не позволяет получить удобный для использования сигнал, применяют структурные схемы с несколькими последовательными преобразователями. В цепи последовательных преобразований сигнала принято различать первичный измерительный преобразователь и промежуточные преобразова-тели (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Структура измерительного преобразователя

К первичному измерительному преобразователю относят преобразователь, к которому непосредственно подведена измеряемая величина. Обычно специфика измеряемой величины существенно влияет на метод преобразования, используемый в первичном преобразователе. Во многих случаях метод первичного преобразования измеряемой величины определяет наименование всего измерительного преобразователя или измерительного прибора.

Для примера на рис. 2.7, а, б схематически показаны измерительные преобразователи давления и уровня. С помощью первичного преобразователя контролируемые величины (уровень h и давление P) преобразуются в неэлектрическую величину другого вида (механическое перемещение). Механическое перемещение (угловое , линейное l) с помощью промежуточных (потенциометрического и индуктивного) преобразователей преобразуется в электрическую величину U_вых, пропорциональную измеряемой.

а б

Рис. 2.7. Схематическое устройство датчиков уровня (а) и давления (б)

На рис. 2.8 приведены основные типы первичных измерительных преобразователей, применяемых в САУ.

В текстильных производствах преимущественное большинство технологических параметров, характеризующих режимы работы оборудования и качественные показатели продукта (уровень, температура, влажность, концентрация, плотность, натяжение и др.), являются неэлектрическими величинами, измерение которых осуществляется соответствующими датчиками – первичными измерительными преобразователями (ПИП), содержащими чувствительные и другие элементы, необходимые для преобразования физической величины в электрический или пневматический сигнал. Ни один из ПИП не является идеальным, т.к. измеряются косвенные величины, характеризующие контролируемый параметр. Так, обрыв нити определяется – по уменьшению ее натяжения, влажность материала – по его электрической проводимости или диэлектрической проницаемости, плотность материала – по поглощению лучистой энергии и т.д.

Датчики должны удовлетворять определенным техническим требованиям: высокой точности, чувствительности, стабильности показаний и устойчивости к помехам, вызываемым внешними факторами, иметь хорошие динамические качества.

К датчикам, находящимся в непосредственном контакте с объектом измерения, часто предъявляется еще ряд дополнительных требований, например пожаро- и взрывобезопасность, виброустойчивость.

Основными характеристиками датчиков систем автоматики являются:

статическая характеристика, представленная либо в виде функции преобразования y = φ(x) зависимости выходной величины от входной в установившемся режиме, либо в виде обратной функции – градуировочной характеристики х = ^-1(у);

чувствительность S = y / x – отношение приращений выходной у и входной Δx величин;

порог чувствительности – минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение выходной;

погрешность;

динамическая характеристика, представленная как правило в виде передаточной функции и определяющая поведение датчиков при различных изменениях входной величины.

Большинство датчиков по характеру динамических свойств можно отнести к безынерционным и апериодическим звеньям первого и более высоких порядков, а иногда и к запаздывающим звеньям.

Датчики можно классифицировать:

по виду измеряемой величины – датчики давления, уровня, температуры, линейного перемещения, угла поворота и т. д.;

по типу преобразования – аналоговые (потенциальные, токовые, частотные, фазовые) и дискретные (амплитудно-импульсные, времяимпульсные, числоимпульсные и др.);

в зависимости от конструктивного выполнения, корректировки погрешностей и других признаков.

Электрические датчики в зависимости от характера преобразования входной величины делят на параметрические и генераторные (датчики ЭДС).

К параметрическим датчикам относятся такие, в которых изменение входной величины преобразуется в изменение какого-либо параметра выходной цепи (активного сопротивления, индуктивности, емкости).

Рис. 2.8. Классификация основных типов первичных измерительных преобразователей

Такие датчики широко используют для измерения механического перемещения, а с соответствующими первичными, преобразователями и для контроля давления, температуры, уровня и других технологических параметров.

Генераторные датчики преобразуют входную величину в электродвижущую силу (датчики термо-ЭДС, тахометрические генераторы и т. д.).

Рассмотрим основные типы электрических измерительных преобразователей.