4. Датчики. Использование датчиков в сварочном производстве

4.1 Датчики. Принцип работы датчиков

Понятием «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но падежный приемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точности и пригодный для серийного изготовления. Сочетание датчик — ЭВМ — исполнительное уст­ройство представляет собой информационную систе­му. Для упрощения сопряжения датчика с микро-ЭВМ была бы предпочтительна выдача датчиком цифро­вой информации. Но, к сожалению, в природе и технике информация существует в основном в виде аналоговых величин, которые для обработки сигнала в ЭВМ должны быть трансформированы в цифровые с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Высокий спрос на промышленные датчики об­условлен прежде всего тем, что автоматизация приобретает все больший масштаб в производственных процессах.

К стандартным применениям в области промышленной техники измерений относятся:

• расход, количество,

• давление, разность давлений,

• температура,

• уровень,

• химический состав.

Кроме этих стандартных датчиков все возрастаю­щим спросом пользуются датчики новых типов, к ко­торым относятся, например:

• датчики положения и перемещения,

• датчики изображения на ПЗС, обработка изо­бражения,

• оптические датчики, волоконно-оптические датчики,

• биодатчики (биотехнология),

• многокоординатные датчики (анализ шумов, распознавание образов)

4.1.1 Датчики температуры

Важнейшей разновидностью датчиков являются дат­чики температуры, поскольку многие процессы, в том числе и в повседневной жизни, регулируются темпе­ратурой, например:

• регулирование отопления на основании измере­ния температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной тем­пературы;

• регулирование температуры воды в стиральной машине;

• регулирование температуры электроутюга, элек­троплитки, духовки и т. п.

Кроме того, путем измерения температуры можно косвенно определять и другие параметры, например поток, уровень и т.п.

При использовании такого рода датчиков темпе­ратура измеряется, как правило, на основании зави­симости электрическою сопротивления от темпера­туры. В зависимости от того, возрастает или пони­жается электросопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики соответственно с положительным или отрица­тельным температурным коэффициентом сопротивле­ния (ТКС). Металлические датчики температуры из никеля или платины всегда обладают положитель­ным ТКС. В случае датчиков на основе термопар возникает ЭДС, пропорциональная температуре.

Для точного измерения температуры в диапазоне от - 200 до 850 °C чаще всего применяются дат­чики температуры из никеля или платины.

Для измерения температуры датчик нужно подключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре. Простейшей разновидностью такой схемы является измерительный мост (или мост Уитстона) (рисунок 4.1).

Если сопротивление сравнения Rv установить та­ким образом, что измерительный прибор G будет показывать отсутствие тока, то оказывается справедливым равенство R_v=R_1h поскольку верхние парал­лельные сопротивления равны между собой. Преимущество такою способа измере­ния заключается в независи­мости результатов от напря­жения питания. Для техниче­ских измерений, когда нужно иметь непосредственные пока­зания температуры, сопротив­ление Rv можно принять по­стоянным, а показания изме­рительного прибора прокалиб­ровать. При этом нужно использовать высокоомный вольтметр, так как между точками 1 и 2 не должен протекать ток.

Рисунок 4.1 – Простая измерительная схема (мост Уитстона) для терморезисторов (например, Pt 100)

В последнее время получили распространение также интегральные схемы для измерения с помощью термопар без опорной точки при 0°С. Они содержат внутренний компенсатор точки таяния льда, поэтому достаточно одной термопары. На рисунке 4.2 показан такой типовой блок для термопары константа и железо. Преобразова­тель сигнала термопары линеаризует термо-ЭДС датчика с коэффициентом 10 мВ/°С в интер­вале измерений 0...300°С. Если собственная температура блока изменится, то влияние этого изменения можно компенсировать только с помощью соответствующего поправочного коэффициента.

Рисунок 4.2 – Измерение температуры термопарой с использованием в качестве опорной точки температуры таяния льда (0⁰С)