1.7. Датчики сигналів зворотного зв'язку
Датчики сигналів перетворюють вимірювану фізичну величину (температуру, тиск і т.п.) в електричний сигнал. Залежно від формату представлення інформації датчики діляться на аналогові і цифрові. Аналогові датчики виробляють напругу або струм, пропорційні вимірюваній величині. Цифрові датчики виробляють сигнал або у вигляді послідовності імпульсів, зв'язаної певним законом з вимірюваною величиною (наприклад, із змінною частотою), або безпосередньо у вигляді двійкового числа. Основні параметри датчиків:
1. Чутливість
, (1.7.1)
де y – зміна вихідного сигналу датчика при зміні на величину x вимірюваної величини (наприклад, чутливість термопари типу ТХА: S = 41 мкВ/°С).
Датчик є лінійним, якщо S = const.
2. Дозволяюча здатність – найменша зміна вхідної величини (x), що викликає реакцію датчика.
3. Інерційність – наявність (або відсутність) інерції в перехідних режимах. Більшість датчиків є аперіодичною ланкою (в деяких випадках із запізнюванням), що має невелику постійну часу.
1.7.1. Датчики температури
Залежно від діапазону вимірюваних температур у якості датчиків застосовують термометри опори, термопари, напівпровідникові датчики.
1. Термометр опору (у англомовній літературі – RTD) є невеликою котушкою, намотаною тонким дротом на слюдяному каркасі і розміщеною в герметичний металевий корпус. Опір датчика при зміні температури міняється відповідно до виразу:
,
(1.7.2)
де R0 – опір датчика при 0°С (звичайно 50, 100 або 1000 Ом);
α – температурний коефіцієнт опору (ТКО). Наприклад, для міді
α = 0,426 % /°С.
Термометр опору включають або в мостову схему, або в схему безпосереднього вимірювання. Мостова схема включення має вигляд:
Рис. 1.22. Мостова схема включення термометра опору
Вимірювальний міст утворений резисторами R1, R2, потенціометром RP1 і термометром опору ТО. Міст балансується (тобто, встановлюється нуль мілівольтметра) потенціометром RP1 при температурі 0°С. Із зміною температури опір ТО міняється, що приводить до розбалансу моста і зміни напруги сигналу зворотного зв'язку. Ця напруга може або безпосередньо вимірюватися мілівольтметром (з подальшим перерахунком), або використовуватися як сигнал зворотного зв'язку при побудові САР.
Схема безпосереднього вимірювання має вигляд рис. 1.23.
В цьому випадку через ТО пропускається живлячий струм iп (звичайно 1 мА), який формується спеціальним високоточним джерелом струму. Як сигнал
Рис. 1.23. Схема включення термометра опору при безпосередньому вимірюванні
зворотного зв'язку використовується падіння напруги на ТО, яке дорівнює добутку живлячого струму на величину опору ТО. Ця напруга залежатиме від температури, і звичайно посилюється і обробляється спеціальним нормуючим підсилювачем.
2. Термопара (у англомовній літературі – TC) є спаєм двох провідників з різного матеріалу:
Рис. 1.24. Схема включення термопари
При нагріванні точки спаю відносно так званих «холодних кінців» термопара виробляє ЕРС, пропорційну різниці температур:
, (1.7.3)
де S – чутливість термопари, мкВ/°С, яка зветься коефіцієнтом Сибека.
Параметри найбільш часто використовуваних термопар приведені в таблиці:
Таблиця 1.7.1
Характеристики термопар
Термопара |
Позначення |
S, мкВ/°С, приблизно |
Діапазон температур |
Хромель-алюмель |
ТХА (тип K) |
41 |
До 1200°С |
Хромель-коппель |
ТХК (тип L) |
70 |
До 800°С |
Залізо-константан |
ТЗК (тип J) |
55 |
До 900°С |
Платина-родій |
ТПР (тип R) |
11 |
До 1600°С |
До достоїнств термопари відносяться: широкий діапазон температур, відсутність необхідності в джерелі живлення, низький внутрішній опір, недоліки – необхідність компенсації температури холодних кінців, а також нелінійність коефіцієнта Сибека.
3. Інтегральні напівпровідникові датчики температури.
Ці прилади працюють в діапазоні температур від -50°С до +150°С (контроль температур навколишнього середовища і систем з водою у якості теплоносія). Як правило, такі датчики є спеціалізованою інтегральною мікросхемою, об'єднуючою власне датчик температури і схему обробки його сигналу. Найбільш поширені аналогові датчики, що мають нормований вихідний сигнал з масштабом 5 – 10 мВ/°С. Наприклад, датчик TMP-35 виробництва Analog Devices має масштаб 10 мВ/°С і працює в діапазоні температур -50°С.... +150°С. Цифрові датчики також є спеціалізованими мікросхемами з різним цифровим інтерфейсом, розрахованим на підключення до мікроконтролера, що управляє (наприклад, датчик 18B20 фірми Dallas).