Основные характеристики.
При оценке пригодности датчика для использования его в какой-либо системе рассматриваются следующие основные характеристики:
характер измеряемого параметра и пределы его изменения;
вид выходного сигнала и пределы его изменения, при этом должна быть выявлена линейная часть характеристики, рассмотрена возможность её линеаризации, если нелинейность её выходит за допустимые
пределы;
климатические условия, при которых должен работать датчик. При этом проверяются не только такие параметры, как температура, влажность, но и другие параметры, обобщенно относящиеся к климатическим, а именно: величина вибраций в месте установки датчика, напряженность магнитных полей, изменение напряжения сети и частоты сетевого напряжения и ряд других факторов;
метрологические характеристики, прежде всего величины основной и дополнительных погрешностей;
возможность крепления датчика в требуемом месте, соответствие присоединительных размеров датчика и конструкции элементов крепления, возможность и доступность подключения кабеля связи датчика с другими устройствами.
Основной погрешностью датчика называется его погрешность в нормальных условиях. Дополнительные погрешности 1, 2, 3, ......, n - это те погрешности, которые возникли в результате отклонения климатических условий от нормальных. Следовательно, дополнительных погрешностей может быть несколько, в зависимости от числа неблагоприятных факторов, действующих на датчик. Суммарная погрешность датчика определяется по
формуле
1
2
....
n
.
Наиболее распространенные в практике датчики состоят из двух частей: чувствительного элемента и преобразователя. Чувствительные элементы, связанные тем или иным способом с объектом регулирования, воспринимают измеряемый параметр и преобразуют значение этого параметра в некоторую вспомогательную величину. Преобразователь преобразует вспомогательную величину в электрический выходной сигнал, т. е. в форму, удобную для передачи информации к вторичным приборам - приемникам первичной информации.
Стандартизация характеристик и унификация выходных сигналов датчиков проводится с целью сокращения и упорядочения большого числа вторичных измерительных приборов и средств автоматизации, работающих в комплекте с датчиками.
По данным технической литературы наиболее распространенными контролируемыми параметрами на практике являются температура (43,3%), давление (14,1%), расход (9,8%), уровень заполнения (9,3%). На все остальные параметры приходится 23,5% от общего числа всех измерений в промышленности.
Чувствительные элементы датчиков давления, перепада давлений, расхода.
В качестве чувствительных элементов применяются трубки Бурдона, сильфоны, мембраны и другие устройства (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Чувствительные элементы датчиков:
а) трубка Бурдона; б) сильфон; в) мембрана; г) ЧЭ для измерения вязкости.
Трубка Бурдона (рис. 1.1, а) обычно применяется в манометрах среднего и высокого давления и представляет собой согнутую в кольцо трубку, сделанную из упругого материала (бронза, сталь). Один конец трубки запаян, другой заканчивается штуцером, к которому подводится измеряемое давление. При увеличении давления трубка стремится разогнуться, а запаянный конец перемещается на расстояние, пропорциональное приложенному давлению. Это перемещение далее преобразуется в выходной сигнал требуемого вида.
Сильфон представляет собой цилиндрическую коробку с гофрированными стенками, сделанную из упругого материала (рис. 1.1, б). С одной стороны коробки есть штуцер, к которому подводится измеряемое давление. При изменении давления дно сильфона за счет растяжения или сжатия гофрированных стенок перемещается пропорционально изменению давления. Если два сильфона соединить со стороны дна, а в штуцеры подавать давления Р1 и Р2, то с помощью такого чувствительного элемента можно измерять разность давлений:
Р = Р1 - Р2.
Такие чувствительные элементы используются в дифференциальных манометрах и расходомерах.
Широко распространенным чувствительным элементом для измерения давления и разности давлений является мембранный чувствительный элемент (рис. 1.1, в). Упругая мембрана, сделанная из бронзы, стали или прорезиненной ткани, закреплена между двумя «тарелками», имеющими штуцеры для подвода давлений. Перемещение мембраны, вызванное различной величиной давлений Р1 и Р2 (одно из них может быть атмосферным), с помощью тяги передается преобразователю.
Примером чувствительного элемента для измерения вязкости жидкости является цилиндр, вращаемый синхронным двигателем (рис. 1.1, г). Цилиндр помещается в жидкость, вязкость которой измеряется. В зависимости от величины вязкости жидкости изменяется тормозной момент на валу двигателя, а, следовательно, и вспомогательный параметр - сдвиг фаз между ротором двигателя и вращающимся магнитным полем. Этот параметр с помощью преобразователя - фазометра - преобразуется в выходной сигнал датчика.
Преобразователи для чувствительных элементов.
На рис. 1.2 а изображены устройство и схема включения индуктивного преобразователя. Он состоит из катушки с двумя обмотками 2 и 3, намотанными встречно. Внутри катушки находится сердечник 1, который может перемещаться по оси катушки. Сердечник соединяется с чувствительным элементом датчика. Преобразователь питается от понижающей обмотки 4 трансформатора. В диагональ моста, образованного обмотками преобразователя и трансформатора, включается переменное сопротивление 5, с которого снимается выходное напряжение датчика. При среднем положении сердечника относительно обмоток преобразователя выходное напряжение равно нулю. При отклонении сердечника от среднего положения амплитуда выходного напряжения изменяется пропорционально отклонению, а фаза его при переходе сердечником среднего положения меняется на 180 . Такие сигналы часто условно обозначают так: Uвых - 0 - Uвых.
Рис. 1.2 Преобразователи для чувствительных элементов: а)
индуктивный;
б) дифференциально-трансформаторный; в) ферродинамической системы; г) реостатный.
Дифференциально-трансформаторный преобразователь, показанный на рис. 1.2 б, отличается от индуктивного схемой включения и наличием двух обмоток: первичной, к которой подключается питающее напряжение, и вторичной 1, состоящей из двух половинок, включенных встречно, с которой с помощью переменного сопротивления 3 снимается выходное напряжение.
Преобразователи ферродинамической системы, широко применяемые при автоматизации объектов и технологических процессов, состоят из магнитопровода 2 (рис. 1.2, г), обмотки возбуждения 1, питаемой от источника напряжения переменного тока, рамки 3 с обмоткой. При отклонении рамки от нейтрального положения в её обмотке наводится э.д.с., пропорциональная углу поворота рамки. При переходе рамки через горизонтальное положение фаза снимаемого с её обмотки напряжения Uвых изменяется на 180 .
Наиболее простым является реостатный преобразователь (рис. 1.2, в). Он представляет собой переменное сопротивление, питаемое от источника напряжения постоянного или переменного тока. Выходной сигнал, снимаемый с части этого сопротивления, зависит от положения движка потенциометра, который связан с подвижной деталью чувствительного элемента.
Датчики температуры.
Температура в значительной части промышленных установок является важнейшим и наиболее часто встречающимся регулируемым параметром автоматических систем. В настоящее время удельный вес температурных измерений возрастает в связи с увеличивающейся важностью проблем экономии традиционных видов энергетических ресурсов. Широкий диапазон значений температуры: от нескольких градусов абсолютной шкалы в криогенных установках до тысяч градусов по шкале Цельсия в промышленных печах и ядерных реакторах при разных требованиях к точности измерения - потребовал различных методов измерения температуры и большого разнообразия конструкций датчиков температуры.
Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Предельно допустимая точность измерения температуры ограничивается точностью воспроизведения реперных точек международной практической температурной шкалы (МПТШ), требованиями теплового равновесия и теплового контакта с термометром и предельно достижимой точностью образцовых средств измерений (СИ).
Термометром называется устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования её в показания или сигнал, являющейся известной функцией температуры. Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой. Примером
бесконтактного термометра может служить радиационный пирометр, реагирующий на тепловое излучение нагретого тела.
Существует много различных видов термометров, имеющих различное устройство и принцип действия. В автоматике наиболее широко применяются термопары и термометры сопротивления.