Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

5)допустимые значения погрешностей средств измерений;

6)допустимые значения погрешностей методов поверки [16, 25, 29, 30, 37, 65].

Глава 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Известно [17, 26, 32, 39, 53], что автоматизация технологических процессов, эффективное управление агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому сенсоры, являются элементами многих систем автоматики — с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик — это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т. д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или, проще, датчик — это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

Взависимости от вида входной (измеряемой) величины разли-

чают:

• датчики механических перемещений (линейных и угловых),

• пневматические,

• электрические,

• расходомеры,

• датчики скорости,

• датчики ускорения,

• датчики усилия,

• датчики температуры,

• датчики давления и др.

Внастоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура — 50%, расход (массовый и объемный)

—15%, давление — 10%, уровень — 5%, количество (масса, объем)

—5%, время — 4%, электрические и магнитные величины — менее

4%.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают

•неэлектрические,

•электрические:

•датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения),

•датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения),

•датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения),

•датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

— электрические величины удобно передавать с высокой скоростью на расстояние;

— электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические

инаоборот;

—они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса:

• генераторные,

• параметрические (датчики-модуляторы).

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

По классам различают датчики:

• аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

• цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

• бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам:

—однозначная зависимость выходной величины от входной;

—стабильность характеристик во времени;

—высокая чувствительность;

—малые размеры и масса;

—отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

—работа при различных условиях эксплуатации;

—различные варианты монтажа.

3.1. Датчики линейного и углового перемещения

Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам.

Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории:

•датчики линейного перемещения,

•датчики углового перемещения (энкодеры).

Датчики линейного перемещения. По принципу действия дат-

чики линейного перемещения могут быть:

емкостными,

оптическими,

индуктивными,

вихретоковыми,

ультразвуковыми,

магниторезистивными,

потенциометрическими,

магнитострикционными,

на основе эффекта Холла.

Емкостные датчики перемещения. В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь емкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идет об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия (рис. 3.1).

Рис. 3.1 — Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора

Поскольку емкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение емкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Изменение емкости можно зафиксировать различными способами (например, измеряя его импеданс), однако в любом случае конденсатор необходимо включить в электрическую цепь.

Другой схемой, где выходным параметром является электрическая емкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком (рис. 3.2). Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его емкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение емкости свидетельствует о перемещении объекта. Кроме того, если сам объект обладает свойствами диэлектрика и имеет подходящие габариты, он может быть использован непосредственно в качестве диэлектрической среды в конденсаторе.

Рис. 3.2 — Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком