3.3. Датчики

Как уже отмечалось, первым этапом контроля является измерение контролируемого параметра, т.е. получение информации. Первым элементом, установленным в технологическом оборудовании и воспринимающим контролируемый параметр, является датчик. Он преобразует измеряемые физические величины в сигналы, удобные для дальнейшей передачи в измерительные или управляющие устройства. Измеряемыми параметрами при осуществлении контроля являются геометрические размеры, перемещения, скорость, температура, усилия, давление, вибрации, расход, уровень, загазованность, запыленность и др.

К числу основных признаков, позволяющих классифицировать первичные преобразователи, относятся принцип действия и вид входного и выходного сигналов (рис. 3.3).

В зависимости от принципа действия первичные преобразова­тели можно разделить на две группы: параметрические и гене­раторные.

Параметрические преобразователи преобразуют контролируе­мую величину в один из параметров электрической цепи: прово­димость (сопротивление), индуктивность, емкость. Следовательно, для их работы необходимо подводить от внешнего источника элек­трическую энергию. К параметрическим относят следующие типы преобразователей: потенциометрические, индуктивные, емкост­ные, тензометрические и др.

В генераторных преобразователях непосредственно преобра­зуется неэлектрическая энергия входного сигнала в электриче­скую энергию, значение которой пропорционально значению кон­тролируемого параметра. К генераторным относятся термоэлек­трические (термопары), фотоэлектрические, пьезоэлектрические и тахометрические преобразователи. Они работают автономно, т. е. не нуждаются в подводе внешней электроэнергии.

По виду входного сигнала первичные преобразователи делятся на следующие группы: температуры, давления, разрежения, рас­хода, уровня, состава и влажности веществ, плотности, переме­щения, скорости, ускорения и т. д.

По виду выходного сигнала первичные преобразователи под­разделяют на несколько групп. Одна группа преобразует контро­лируемую величину в изменение активного сопротивления, дру­гая — в изменение емкости, третья — в изменение индуктивно­сти и т. д.

Любой датчик состоит из отдельных частей. Основной частью является чувствительный элемент, а средства защиты, вспомогательных преобразователей и крепления чувствительного элемента относятся к вспомогательным элементам.

3.3.1 Потенциометрические датчики

Потенциометрический датчик представляет собой пере­менное электрическое сопротивление, величина выходного напряжения которого зависит от положения токосъемного контакта.

Потенциометрические датчики предназначены для пре­образования линейных и угловых перемещений в электри­ческий сигнал, а также для воспроиз­ведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и вы­числительных устройствах непрерыв­ного типа.

В потенциометрах непрерывной намотки переменным сопротивлением служит намотанная на каркас в один ряд тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник. Сопротивление таких потенциомет­ров лежит в пределах от нескольких десятков ом до десят­ков килоом. Таким образом, потенциометр непрерывной намотки состоит из каркаса, обмотки и токосъемника (рис. 3.4).

Каркас выполняется из материала, обладающего изоля­ционными свойствами, и имеет форму стержня, кольца или изогнутой по дуге пластинки. В качестве изоляцион­ного материала используют гетинакс, текстолит, керамику или металл, покрытый непроводящим слоем окисла. Об­мотку изготавливают из эмалированной проволоки, диа­метр которой определяет точность потенциометра. Датчики высокого класса точности наматываются проволокой диаметром 0,03…0,1 мм, датчики низкого класса — 0,1…0,4 мм. В качестве обмоточного провода применяют константан, манганин, фехраль и сплавы на основе благородных метал­лов. Обмотка укладывается на каркас равномерно, по­скольку это также влияет на точность работы датчика. Токосъемник (щетка) выполняется из материала несколько мягче, чем материал обмоточного провода, во избежание перетирания витков при длительной работе. Движок имеет форму изогнутой упругой пластины для создания контакт­ного давления, которое колеблется от 0,5 г до 15 г.

Взависимости от характера движения ползунка потен­циометры подразделяются на датчики линейного и угло­вого перемещения. Щетка датчика линейных перемещений совершает прямолинейное поступательное движение, а щетка датчика углового перемещения — круговое движе­ние (рис. 3.4).

По конструкции реохорда (каркас с намотанной на нем проволокой) различают два типа потенциометрических преобразователей: линейные и функцио­нальные.

Линейные потенциометрические преобразователи имеют по­стоянные сечение каркаса, диаметр проволоки и шаг намотки.

Напряжение питания и длина намотки являются постоянными величинами, поэтому выходные напряжения прямо пропорцио­нальны значению перемещения подвижного контакта.

Функциональные потенциометрические преобразователи обла­дают нелинейной характеристикой, что обеспечивается намоткой проволоки на каркасы с переменным сечением. Такой преобра­зователь представляет собой как бы несколько включенных по­следовательно линейных преобразователей. Нелинейность харак­теристики может быть достигнута также путем шунтирования резисторами отдельных участков намотки линейных потенцио­метрических преобразователей. Если у линейного потенциометрического преобразователя сделать отвод от середины обмотки, то он будет характеризовать наряду со значением перемещения движка и его направление.

Потенциометрические преобразователи могут включаться по схеме реостата (рис. 3.5, а и б) или потенциометра (рис. 3.5, в) (делителя напряжения). В зависимости от схемы включения перемещение подвижного контакта преобразуется в изменение тока (при последовательном соединении) или напряжения (при включении по схеме делителя). Первая схема применяется довольно редко, так как она не обеспечивает достаточной точности преобразова­ния, на величину которой оказывают влияние сопротивление соединительных проводов и переходного сопротивления между контактом и обмоткой реохорда.

Потенциометрические преобразователи выполняют с 20 %-ной или 100 %-ной зоной пропорциональности. Последние получили большее распространение, так как они охватывают всю шкалу измерительного прибора.

К преимуществам потенциометрических датчиков мож­но отнести: 1) простоту конструкции, малые габариты и вес; 2) воз­можность получения линейных статических характеристик с высокой точностью; 3) стабильность характеристик; 4) возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатками этих датчиков следует считать: 1) наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов вследствие окисления контактной до­рожки, перетирания витков или отгибания ползунка; 2) погрешность в работе за счет нагрузки; 3) сравнительно небольшой коэффициент преобразования и высокий порог чувствительности; 4) наличие шумов; 5) подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Из сопоставления видно, что с течением времени следует ожидать постепенную замену потенциометрических датчи­ков более совершенными бесконтактными датчиками.