Первичные измерительные преобразователи (датчики)

 

П е р в и ч н ы м и з м е р и т е л е м п р е о б р а з о в а т е л е м (датчиком) называют чувствительный элемент автоматического устройства, воспринимающий контролируемую величину и преобразующий ее в выходной сигнал, удобный для передачи на расстояние и воздействия на последующие элементы автоматических устройств. Они предназначены для измерения различных физических величин (параметров производственных процессов): температуры, давления, влажности, концентрации растворов и т.д. Датчики представляют собой весьма разнообразные устройства, которые классифицируются по измеряемой величине (датчики температуры, давления, уровня, плотности и т.п.), принципу действия (электрические, пневматические и т.п.), виду и характеру выходного сигнала (непрерывный и дискретный). Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, являются высокая чувствительность, линейная зависимость выходной величины от входной, малая инерционность.

Статической характеристикой датчика является зависимость выходной величины от входной, т.е. Хвых = f(Хвх).

Динамическая характеристика может быть представлена в виде графика переходного процесса Хвых = f (t) при скачкообразном изменении входного сигнала.

 

Емкостные датчики представляют собой конденсатор, емкость которого изменяется при изменении измеряемой неэлектрической величины. Конденсатор формируется из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика.

 

Изменение емкости достигается изменением расстояния между пластинами датчика, их рабочей поверхности или диэлектрических свойств среды, в которой находятся пластины. Общими недостатками емкостных датчиков является практическая невозможность работать на промышленной частоте 50 Гц и, следовательно, необходимость в специальном источнике питания высокой частоты.

 

Пьезоэлектрические преобразователи. Одним из емкостных типов преобразования является пьезоэлектрический эффект, при котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение электростатического заряда или напряжения, возникающих в некоторых материалах при их механическом напряжении. Напряжение обычно образуется под действием сил сжатия, растяжения или изгиба, которые являются измеряемой величиной и воздействуют на чувствительный элемент либо непосредственно, либо с помощью некоторой механической связи. Чтобы воспринять изменение электрического заряда или напряжения, к пьезоэлектрическому материалу подсоединяют две металлические пластинки, которые фактически образуют пластины конденсатора:

 

Электромагнитные преобразователи. В этих датчиках используется свойство катушки индуктивности изменять свое сопротивление при перемещении сердечника.

 

Фотоэлектрические датчики – основаны на использовании воздействия изменений измеряемого параметра на интенсивность светового излучения. Источником светового излучения обычно являются лампы накаливания, рентгеновские трубки и радиоактивные вещества. Приемники излучения – фотоэлементы, ионизационные камеры, газоразрядные счетчики. Фотоэлектрические датчики широко используются для измерения и контроля различных уровнемер параметров производственных процессов – температуры, уровня жидкости, концентрации растворов, прозрачности газовой среды, для учета, сортировки и отбраковки штучных изделий, для контроля состояния поверхности тел в автоматических системах, для слежения за срезом детали при ее обработки по контуру и т.д.

 

Широкое распространение в промышленности находят датчики сопротивления (резистивные преобразователи), основанные на изменении сопротивления материала датчика в зависимости от измеряемых свойств среды. Изменение сопротивления может быть вызвано различными эффектами в преобразующем элементе, например, нагреванием или охлаждением, механическим напряжением, воздействием светового потока, увлажнением, осушением, перемещением контактной щетки реостата.

 

Термоэлектрические преобразователи основаны на прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую (термопары).

 

Ионизационные преобразователи преобразуют изменение измеряемой величины в изменение тока ионизации, который протекает, например, через жидкость, расположенную между двумя электродами (рН-метры).

 

Неэлектрические преобразователи чаще всего преобразуют изменение измеряемой величины в линейное или угловое перемещение (манометрические пружины, мембранные приборы).

 

Промежуточные преобразователи

 

Измерительные преобразователи, установленные в измерительной системе после ПИП, являются промежуточными или вторичными. Принципы преобразования, а также конструктивная реализация промежуточных преобразователей зависят не только от измеряемой величины, но и от требуемого вторичного сигнала, ее отображающего.

Промежуточный преобразователь предназначен для осуществления всех необходимых преобразований сигнала измерительной информации (усиление, выпрямление, преобразование одного вида энергии в другой и т.п.)

 

Передающий преобразователь – предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации. Для дистанционной передачи угловых перемещений, например, в уровнемерах, используются с е л ь с и н н ы е п е р е д а ю щ и е с и с т е м ы.

Сельсин представляет собой миниатюрную трехфазную электрическую машину, сходную с синхронным генератором или двигателем Чаще всего ротор сельсина имеет одну обмотку (обмотка возбуждения), а статор - три обмотки (обмотки синхронизации), оси которых сдвинуты на 120° одна относительно другой. Такой вариант осуществляется в случае, если ротор имеет явно выраженные полюса, а статор не явно выраженные полюса.

 

Д и ф ф е р е н ц и а л ь н о – т р а н с ф о р м а т о р н ы е преобразователи предназначены для преобразования линейного перемещения сердечника в выходной электрический сигнал. Выходным параметром у преобразователей этого типа является значение взаимной индуктивности между обмотками. Дифференциально-трансформаторные преобразователи широко применяются в первичных приборах (манометрах, дифманометрах и др.) в качестве передающих преобразователей и во вторичных приборах – в качестве компенсирующих.

 

В п н е в м а т и ч е с к и х п р е о б р а з о в а т е л я х основным элементом является преобразователь типа "сопло—заслонка".

 

Вторичные приборы

 

Вторичные приборы предназначены для преобразования сигнала, поступающего от датчика, в сигнал, удобный для наблюдения. Главными узлами измерительного прибора являются измерительное и отсчетное устройство. Первое из них непосредственно осуществляет измерение физической величины при помощи чувствительного элемента и при необходимости усиливает входной сигнал, а второе – показывает, записывает или интегрирует полученное значение. Один и тот же вторичный прибор может быть использован для измерения различных параметров (разница будет лишь в градуировке шкалы).

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, т.е. допускающие только отсчитывание показаний, и самопишущие приборы, в которых предусмотрена регистрация показаний.

 

К показывающим относят а н а л о г о в ы е и ц и ф р о в ы е приборы. Отсчетные устройства аналоговых приборов состоят из шкалы и указателя – стрелки; показания прибора являются непрерывной функцией измеряемой величины. Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации, показания прибора представлены в цифровой форме. Анализ свойств и характеристик аналоговых и цифровых методов и средств измерений не позволяет однозначно утверждать о превосходстве одних перед другими; это зависит от конкретных задач и возможностей конструктивного исполнения.

 

Комбинированные приборы одновременно показывают и регистрируют измеряемую величину. Измерительные приборы могут снабжаться также дополнительными устройствами для сигнализации (сигнализирующие приборы), регулирования измеряемой величины (регулирующие приборы) и других целей. Суммирующие или интегрирующие приборы показывают суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени. Эти приборы снабжаются счетчиками, которые часто встраиваются в один корпус с показывающим или самопишущим прибором, имея с ним одну измерительную систему.