Лекция №9. «Датчики параметров технологического процесса»

9.1. Характеристики датчиков

В технологических процессах управление осуществляется по та­ким параметрам как время, энергия, температура, сила (давление), масса, скорость (ускорение), электропроводность, освещенность, цвет и т.д. Многие остальные параметры технологических процессов мо­гут быть рассчитаны, смоделированы из вышеперечисленных.

Датчик - конструктивно законченное устройство, предназначен­ное для преобразования физической величины в электрическую или иную величину, удобную для дальнейшей передачи и преобразова­ния.

Большинство известных в автоматике датчиков преобразуют контролируемую величину X в электрическую величину Y (напри­мер, движение в индуктивность или напряжение, температуру в элек­трическое напряжение и т. п.) или в неэлектрнческую (движение в давление воздуха или жидкости и др.).

Измерения производят путем внедрения датчика 6 в среду 1 или приема излучений (электромагнитных, акустических и др.) из нее (рис. 9.1).

Основу датчика составляет чувствительный элемент 2, непо­средственно преобразующий измеряемую величину среды 1 в элек­трический сигнал. В состав датчика могут входить также устройства 3, изменяющие форму или корректирующие сигнал чувствительного элемента, например, преобразователь аналогового сигнала в цифро­вой или корректор нелинейности. Сигнал из датчика подают по про­водам или по беспроводной системе 4 на приемник 5 его обработки и дальнейшего использования

Рисунок 9.1 - Система: датчик и измеряемая среда

Датчики классифицируют по различным признакам, но, прежде всего по виду измеряемого параметра среды и принципу действия. При заказе датчика у изготовителя оперируют, прежде всего, видом измеряемого параметра: температура, давление, скорость, плотность

и т.д.

По роду энергии выходной величины различают электрические и неэлектрические датчики, в частности механические, пневматические или гидравлические.

В практике находят разные виды датчиков, но все большее и большее применение находят электрические и построенные на их ос­нове электронные датчики, в силу своей универсальности примене­ния независимо от оборудования, на которое они устанавливаются, и технологичности изготовления.

Принцип действия датчика оказывает существенное влияние на его выбор, если имеются требования по габаритным размерам, по­грешности или безопасности работы автоматической системы.

В современных системах автоматики датчики подразделяют так­же по виду выходной величины - аналоговая или цифровая. Традици­онно использовалось аналоговое представление информации. Однако, в связи с повышением требований к точности передачи информации датчиков на большое расстояние (от оборудования до места обработ­ки информации), применением компьютерного ее анализа и после­дующего использования, цифровые датчики находят все большее и большее применение.

Понятие датчика связано с такими характеристиками как диапа­зон измерений, статическая характеристика, точность измерений, чувствительность, разрешающая способность, время успокоения и быстродействие, выходная мощность и выходное сопротивление.

Диапазон измерении - разница между минимальной измеряемой величиной и максимальной.

Статическая характеристика - зависимость выходной вели­чины Y от входной величины Х- Y=f(X) (рис.9.2).

Чувствительность - отношение изменения показаний датчика dY к изменению измеряемой величины dX: η = dY/dX.

Одной из характеристик датчиков является нелинейность его ста­тической характеристики. Для датчиков с линейной статической ха рактертикой (рие.9.2, зависимость 1) чувствительность постоянна. Для дчиков с нелинейной характеристикой (рис.9.2, зависимость 2) чувсттельность непостоянна, что вызывает определенные трудно­сти пользования датчика в зависимости от диапазона измеряемой велишы. Поэтому применяют различные способы линеализации выходго сигнала датчиков. Линейная зависимость Y=f(X) упрощает исполование и обработку сигналов, снижает погрешности.

Точность измерений. Точность измерений определяется погреш­ностью. Различают абсолютную погрешность - разность между показанием датчика Х_д и истинным значением измеряемой величины Х₀: ∆Х = Х_д-Х₀

и относительную погрешность - отношение абсолютной погрешно­сти к истинному значению измеряемой величины δ = ∆Х/Х₀.

Рисунок 9.2 - Нелинейность датчиков.

Приведенная погрешность- отношение абсолютной погрешности к нощрованному значению, например, к максимальному значению измеряеемой величины Х_м

γ=∆Х/Х_М.

Основная погрешность - погрешность в нормальных условиях эксплуатации (температура, влажность, атмосферное давление и т.п.).

- Дополнительная погрешность - погрешность, вызванная откло­нением условий измерений (эксплуатации) от нормальных, на кото­рые рассчитан датчик по техническому паспорту.

Разрешающая способность - минимальная разность измеряемой величины, различаемая с помощью датчика

Время установления показаний (время успокоения) - время, в те­чение которого при одной и той же входной измеряемой величине показания датчика примут постоянное значение.

Быстродействие - максимальное количество измерений с нор­мированной погрешностью в единицу времени измерения.

Выходная мощность сигнала и выходное сопротивление датчика должны соответствовать приемнику информации.