21

Лекция 3 4 часа

Первичные преобразователи (датчики)

Важнейшими элементами систем управления являются датчи­ки, предназначенные для получения количественной информа­ции о подлежащих измерению механических, тепловых, оптических и других величинах.

Так как системы управления строятся в основном на основе I электронных регуляторов, то при измерении любых величин чаще ¹ других применяются электрические средства измерений, облада­ющие следующими преимуществами:

простотой изменения чувствительности в широком диапазоне значений измеряемой величины за счет использования усилите­лей электрических сигналов;

малой инерционностью электрической аппаратуры, позволя­ющей использовать одни и те же средства измерений для процес­сов, протекающих во времени в широком диапазоне скоростей;

практически мгновенной (со скоростью света) передачей сигна­ла на значительные расстояния, упрощающей замеры в недоступ­ных местах и позволяющей одновременный замер большого количе­ства величин разной физической природы на больших расстояниях.

Датчики обычно классифицируются и получают названия по измеряемой ими величине и параметру, в который преобразуются сигналы чувствительного элемента, например индуктивный дат­чик перемещения преобразует измеряемое перемещение объекта в изменение индуктивности и реактивного сопротивления дросселя. Измерение есть операция сравнения измеряемой физической ве­личины с другой величиной того же рода, принятой за единицу.

Измерительное преобразование представляет собой преобра­зование значения одной физической величины в значение дру­гой физической величины, функционально с ней связанной. На­пример, в термометре температура преображается в длину стол­бика ртути или спирта, при этом функциональной связью меж­ду этими величинами является закон теплового расширения жид­костей.

Многие неэлектрические величины удобно предварительно преобразовать в механическое перемещение, после чего с по­мощью датчика перемещения получить электрический сигнал. Например, давление газа или жидкости можно определить за­мером перемещения упругой мембраны. Поэтому в автоматике широкое распространение получили датчики перемещения.

Измерительный прибор (рис. 3.1, а), как правило, состоит из Первичного преобразователя (датчика Д), указателя или регист­ратора (УК), представляющего измеряемую величину в удобнойдля использования форме, _ч измерительного устройства (ИУ), осуществляющего пре­образование выходного сиг­нала датчика во входной сиг­нал указателя. Например, при измерении температуры мож­но в качестве датчика исполь­зовать терморезистор (резис­тор, меняющий свое сопро­тивление при изменении тем­пературы), в качестве указа­теля можно взять амперметр с соответствующей градуи­ровкой; измерительным уст­ройством здесь будет электрическая схема контроля изменения сопротивления терморезис­тора, включающая измерительный мост М и усилитель УС. Та­ким образом, измеряемая величина подвергается в измеритель­ном приборе серии преобразований.

Условия на реальном объекте измерения обычно значительно более жесткие, чем в месте регистрации (повышенная температу­ра, вибрации, влажность, пыль, недостаток места). Поэтому в точке, в которой необходимо провести измерение, размещается минимум преобразователей, достаточный для фиксации значе­ния измеряемой величины и преобразования его в форму, при­годную для передачи из зоны объекта в более благоприятную зону (хотя бы на расстояние нескольких метров), где размещается из­мерительное устройство.

Датчиком измерительного прибора называется совокупность преобразователей, размещаемых непосредственно на объекте из­мерения и удовлетворяющих, как правило, более жестким экс­плуатационным требованиям. Указатель, регистратор, устройство отображения информации должны быть размещены там, где ис­пользуются результаты измерения, например на пульте оператора При создании указателей основным требованием является удоб­ство использования результатов замеров.

Раздельное конструктивное исполнение датчиков, измеритель­ных устройств и указателей в совокупности со следованием стан­дартам соответствующих входных и выходных величин этих эле­ментов обеспечивает гибкость в применении, простой ремонт, универсальность и взаимозаменяемость. Обычно датчик состоит из двух преобразователей: предварительного, воспринимающего измеряемую величину (шуп, рычаг) без перевода ее в другую фор­му, и основного, предназначенного для преобразования измеряе­мой величины в электрический сигнал.

Рис. 3.1. Структура измерительного прибора

3.1. Контактные резистивные преобразователи

Контактными называются измерительные преобразователи, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляю­щих электрической цепью. При этом естественной входной ве­личиной является пространственное перемещение, выходной величиной — ток в цепи, а характеристика имеет релейный ха­рактер.

Так как сопротивление контактного датчика меняется скачком и может принимать одно из двух значений, этот датчик является дискретным. Так как под действием входной величины меняется сопротивление датчика, он является параметрическим.

Простейший однопредельный контактный преобразователь (рис. 3.2, а) имеет одну пару контактов 1 и 2, замыкание которых произойдет при перемещении вверх штока 5. При этом активное сопротивление между контактами упадет от бесконечности до очень малого значения контактного сопротивления. Конструктивно шток устанавливается в направляющие 4 и прижимается пружиной 6 к контролируемому объекту 3. Погрешность срабатывания контакт­ных преобразователей находится в пределах 1...2 мкм. Попытки еще уменьшить погрешность успеха не имели.

Во избежание образования дуги или искры, разрушающих кон­такты, мощность тока в цепи не должна превышать 100 мВт. Это значит, что если звено цепи — приемник сигнала от датчика — потребляет мощность 50... 100 мВт, то можно снимать сигнал непо­средственно с датчика. В противном случае следует использовать усилитель на реле, транзисторах или тиристорах. Датчики этого типа широко применяются как конечные выключатели, датчики контроля попадания размера в поле допуска и т.д.

3.2. Реостатные и потенциометрические преобразователи

Реостатным преобразователем называют реостат, движок кото­рого перемещается щупом вслед за перемещением контролируе­мой точки объекта, т. е. преобразователи этого типа являются регулируемыми омическими сопротивлениями. Естественной входной величиной датчиков этого типа является перемещение движка.

При последовательной схеме включения дат­чик называется реостатным, перемещение движка реостата пре­образуется в изменение активного выходного сопротивления рео­стата или тока, являющихся естественными выходными величи­нами. При схеме делителя напряжения (схеме потенциометра) датчик называется потенциометрическим первич­ным преобразователем, его естественной выходной величиной яв­ляется выходное напряжение.

Так как выходной величиной реостата служит сопротивление, датчик является параметрическим; сопротивление меняется плав­но при изменении входной величины (положения движка), дат­чик является аналоговым. Сопротивление реостата может зависеть от перемещения движка как линейно (чаще всего), так и по более сложному закону.

Основным требованием, предъявляемым к этим датчикам, яв­ляется обеспечение определенной однозначной зависимости между величиной сопротивления и перемещением движка.

Основными элементами реостатного датчика (рис. 3.2, 6) яв­ляются: каркас 3 из диэлектрика (дерево, текстолит, пластмасса)нанесенным на него сопротивле­нием в виде обмотки 2 из проволо­ки, слоя полупроводника или плен­ки металла; подвижная токосъемная щетка 1, скользящая непосредст­венно по поверхности сопротивле­ния или по ряду соединенных с ним контактов.

Рис. 3.2. Контактный (а) и реостатный (6) датчики

На рис. 3.3 приведена конструк­ция потенциометрического датчика для измерения угловых перемеще­ний, состоящего из каркаса 3 с об­моткой /, по которой ходит движок 2 с подвижным контактом 4.

Рис. 3.3. Потенциометрический датчик угловых перемещений:

1 — обмотка; 2 — движок; 3 — каркас; 4 — подвижный контакт

Материалы проволоки, использу­емые для намотки реостатных дат­чиков, указаны в табл. 3.1.

На практике чаще других используются константан, нихром и манганин, обладающие низкой стоимостью, высоким удельным сопротивлением, обеспечивающим высокую точность измерения, и широким температурным диапазоном. Кроме того, эти матери­алы стойки к износу и коррозии, что обеспечивает хороший кон­такт с движком.

Таблица 3.1

Материал	Удельное сопротивление,	Максимальная рабочая
	Ом . ммг/м	температура, °С
Константан	0,48	500
Нихром	1,1...1,2	1050
Манганин	0,42	300
Платина	0,09...0,105	500
Золото	0,022	500

Щетки выполняют в виде проволок, лент или роликов из бронзы, серебра, платиноиридиевого сплава и других упругих материалов. Провод реостата должен быть покрыт эмалью или слоем окислов, изолирующих витки друг от друга. Вдоль траек­тории движка изоляция счищается, а сам провод полируется. Активное сопротивление реостата составляет десятки и сотни Ом при погрешности порядка 1 %. Индуктивное и емкостное сопротивления реостата малы, и ими можно пренебречь при час­тотах до 10 кГц. Сопротивление реостата меняется скачкообраз­но при переходе движка с одного витка на другой, соседний. чтобы уменьшить погрешность квантования, увеличить разрешающую способность и сделать датчик практически аналоговым, число витков выбирают обычно не меньше 100. Для реос­татных первичных преобразователей пригодны все виды измерительных цепей, из которых типичной является цепь потенциометрического включения , когда U_H = Ех/1.

Достоинствами реостатных датчиков являются:

- простота конструкции;

- высокий уровень выходного сигнала (напряжение — до несколь­ких десятков вольт, ток — до нескольких десятков миллиампер);

- возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе.

Недостатками этих преобразователей являются:

- невысокая надежность и ограниченная долговечность вследствие износа скользящего контакта и истирания обмотки;

- сравнительно большое усилие, необходимое для перемещения ползунка;

- опасность искрообразования на контакте обмотки с ползун­ком;

- относительно большие габаритные размеры.

Реостатные датчики применяются для измерения больших пе­ремещений (десятки миллиметров) с точностью до 0,1 мм. В автоматических системах движок реостата может быть механичес­ки связан с суппортом, клапаном или другим подвижным эле­ментом, положение которого требуется измерять и передавать в виде электрического сигнала. При перемещении элемента пере­мещается и движок, вызывая изменение тока и напряжения в цепи. Чем сильнее движок прижимается к обмотке, тем надеж­нее контакт, но больше усилие, требуемое для перемещения движка. Это вызывает определенные трудности при констру­ировании измерительного прибора, так как усилие, развиваемое чувствительными элементами (мембранами, поплавками и т.п.} часто невелико.