10.2. Класифікація датчиків

В системах контролю, що використовують, наприклад, електричні методи, зміни контрольованих величин перетворюють у зміни електричних величин.

Для цієї мети розроблена велика кількість типів і модифікацій датчиків, в основу роботи яких покладені різні явища і конструктивні рішення. Для полегшення оптимального вибору датчика необхідні їхня систематизація і класифікація по різних ознаках. Класифікаційні ознаки є рівноправними і незалежними один від одного.

У залежності від принципу дії датчики, що застосовують в електричних САК, можна розділити на дві групи – датчики параметричні і датчики генераторні. Датчики параметричної групи характеризуються тим, що контрольована величина перетвориться в параметр електричного ланцюга: опір, індуктивність або ємність. Для виявлення такої зміни необхідні додаткові пристрої. До найбільш розповсюджених параметричних датчиків відносять:

• контактні датчики;

• ємнісні датчики;

• реостатні датчики;

• індуктивні датчики;

• датчики опору.

Генераторні датчики характеризуються тим, що в них здійснюється безпосереднє перетворення різних видів енергії в електричну (генерування електричної енергії). Відомі наступні типи генераторних датчиків:

• індуктивні датчики;

• гальванічні датчики;

• термоелектричні датчики;

• електрокінетичні датчики;

• фотоелектричні датчики.

Приведений перелік не охоплює всіх типів датчиків, тим більше різноманітності модифікацій датчиків одного типу. Наприклад, у даний час відомі десятки модифікацій датчиків термоопору, що використовуються при контролі таких величин, як температура, механічне переміщення, швидкість руху газів, вологість, тиск, склад газової суміші і т.п.

Датчики класифікують також по виду їхніх вхідних величин і підрозділяють на датчики переміщення, рівня, тиску, витрати, температури, вологості. У межах кожної групи можливо і подальший підрозділ датчиків (датчики високих і низьких температур).

Сприйняття і перетворення тих самих вхідних величин може здійснюватися датчиками, заснованими на різних принципах дії. Так, наприклад, датчиками переміщень можуть бути реостатні датчики, датчики контактного опору, термоопору, фотоопору, датчики індуктивні, ємнісні й ін.

Класифікація датчиків по виду їхньої вихідної величини дозволяє визначити, які вимірювальні пристрої найбільш придатні для роботи з даними датчиками або, навпаки, які типи датчиків варто використовувати для заданих вимірювальних пристроїв.

По виду вихідної величини датчики, що застосовують в електричних САК, поділяють на датчики, що перетворюють контрольований параметр в опір, ємність, індуктивність, фазу і частоту перемінної напруги й ін.

10.3. Характеристики датчиків

Властивості і характеристики датчиків визначають характеристики САК в цілому.

Умови роботи датчиків значно відрізняються від умов роботи іншої апаратури САК, що може знаходитися в спеціальному приміщенні. Датчики містяться в безпосередньому контакті з контрольованим об'єктом, завдяки чому вони можуть піддаватися впливові агресивних середовищ, електромагнітних полів, вібрацій і т.п.

Крім того, число датчиків у САК, особливо при контролі складних об'єктів або процесів, може бути дуже великим, як, наприклад, при регіональній або глобальній системі моніторингу.

Крім загальних вимог до датчиків висувають специфічні вимоги:

1. визначеність і однозначність залежності між вихідною і вхідною величинами датчика;

2. висока чутливість до змін контрольованих параметрів;

3. швидкодія;

4. стабільність характеристик у часі зі зміною температури, вологості, тиску до фізико-механічних, хімічних і біологічних впливів;

5) простота і технологічність конструкції датчиків, їхня взаємозамінність;

6) малі габарити і вага;

7. вибухонебезпечність і невисока вартість.

Звичайно для кожного типу датчика вказують тимчасові, температурні й інші інтервали, у межах яких характеристики датчика залишаються в припустимих заданих межах.

Наскільки датчик задовольняє цим вимогам, судять по його характеристиках, наприклад, залежності між вихідною величиною У і контрольованим параметром х, тобто У= f(х).

Ця залежність виражає закон, якому підкоряється явище, покладене в основу роботи датчика. Іноді вона може бути отримана як результат експерименту, у процесі якого для різних значень контрольованого параметра х знаходять відповідні їм значення У. Таке експериментальне визначення залежності У = f(х) датчика виражають звичайно у вигляді таблиць, графіків або аналітично і називають градуйовкою.

Дуже часто вихідна величина датчика У залежить не тільки від контрольованого параметра х, але і від ряду інших факторів z₁, z₂…..., що діють одночасно з х. У цьому випадку:

У= f(х, z₁, z₂…... )

Наприклад, якість зберігання зерна залежить від температури і вологості сховища, мікробіологічного ураження зерна, витратою повітря на продування сховища тощо.

Для того щоб одержати однозначну залежність між У і контрольованим параметром, необхідно усунути або зменшити вплив на датчик сторонніх факторів z₁, z₂…... Це досягається різними способами: екрануванням і ізоляцією датчиків від впливу, компенсацією цих впливів і ін.

Залежність У= f(х) можна виразити у виді статистичного ряду

Y = a₀ + a₁x + a₂x² + …...,

причому кількість членів ряду, що враховуються, визначається необхідною точністю апроксимації функції Y= f(х). Звичайно найбільш бажаним є лінійний вид.

Дуже важливою характеристикою датчика є його чутливість S, що визначається як відношення зміни вихідної величини ∆y до зміни контрольованого параметра ∆x:

S = ∆y / ∆x …..

При взаємодії датчика і контрольованого параметру має місце не тільки вплив параметра на датчик, але і зворотний вплив датчика на сприйманий їм параметр, що приводить до деякої зміни або перекручування контрольованого параметра. Це явище має місце при введенні в температурне поле об'єкту виміру, наприклад, термопари.

Швидкодію датчика визначає його динамічна характеристика, як інтервал часу між зміною контрольованого параметру і відповідною зміною вихідної величини.

Тенденції розвитку датчиків коректують основні вимоги (можливість контролю різноманітних параметрів, висока точність і надійність, взаємозамінність блоків і елементів і ін.), що пред'являються до сучасних САК (а також систем автоматичного регулювання і керування якістю СГП у зв'язку із вступом України в СОТ. Такими є:

По-перше, це використання нових матеріалів при створенні датчиків.

По-друге, створення датчиків з уніфікованими вихідними сигналами, що забезпечує зручність введення інформації в комп’ютерну систему.

По-третє, використання перехідних процесів, частотної й імпульсної модуляції, що робить більш широким і надійним діапазон роботи датчиків.

Датчиками для вимірів у САК і моніторингу можуть бути різні детектуючі системи приладів і самі вимірювальні прилади, які діють за різними принципами. Чим менше відомо про об'єкт, тим більше «інтелектуальним» повинен бути датчик, з метою витягу максимальної інформації про об'єкт контролю й керування.