Основные характеристики датчиков

Практически все автоматические системы используют датчи­ки, формирующие на выходе электрические сигналы. Это связано с тем, что:

•       электрические сигналы могут быть легко переданы на значи­тельные расстояния, а датчики могут располагаться в любых труд­нодоступных местах технологического оборудования;

•         электрические сигналы могут быть легко усилены в тысячи раз, т.е. в тысячи раз может быть повышена при необходимости

77

чувствительность аппаратуры измерения значений технологиче­ских параметров;

•     электрические сигналы обладают малой инерционностью, что позволяет следить за быстро изменяющимися во времени пара­метрами и обеспечивать высокую скорость работы автоматических систем в реальном времени;

•        электрические сигналы наиболее удобны для работы с боль­шинством широко распространенных технических средств: уси­лителями, коммутаторами, электрическими двигателями, элект­ромагнитными реле и другими, в том числе с ЭВМ.

Датчики, преобразующие неэлектрические параметры в элект­родвижущую силу (ЭДС), электрическое напряжение или ток, называются генераторными, или активными. Они не требуют для своей работы внешнего источника электрической энергии, так как вырабатывают эту энергию сами, точнее, используют для формирования выходного сигнала энергию устройств или про­цессов, чьи параметры они преобразуют в сигналы. Это может быть механическая, световая, тепловая или иная энергия, преоб­разуемая датчиками в электрическую.

В других датчиках изменение неэлектрического параметра, вос­принимаемое датчиком, приводит к изменению того или иного электрического параметра самого датчика (его сопротивления, электроемкости, индуктивности и т.д.). Такие датчики называют­ся параметрическими, или пассивными. Они нуждаются для фор­мирования выходного сигнала во внешнем источнике электри­ческой энергии.

Основными характеристиками датчиков, определяющими их пригодность для тех или иных целей, являются:

•       функция преобразования;

•      чувствительность;

•       погрешность;

•          нелинейность;

•       инерционность и др.

Любые характеристики применимы только в ограниченном диапазоне воздействий на датчик (например, датчик температуры не может нормально работать в условиях, при которых он сам едва ли не плавится от жары). Диапазон изменения преобразуемых параметров, в котором для датчика гарантируются значения его характеристик, называется рабочим диапазоном датчика.

Функция преобразования — это зависимость между выходной ве­личиной Х_ВЪК датчика и преобразуемым параметром Х_т. Ее представ­ляют либо формулой, либо графиком. Для аналоговых датчиков наи­более удобна пропорциональная зависимость между.

где К — постоянный коэффициент.

 

 

78

График этой зависимости — прямая линия, поэтому такую функцию преобразования называют линейной. У большинства дат­чиков в широком диапазоне изменения входных параметров функ­ция преобразования нелинейная, поэтому приходится принимать меры для ее линеаризации (т. е. для получения пропорциональной зависимости между X_RbiX и Х_[К) хотя бы в пределах рабочего диапа­зона, например, изменяя конструкцию датчика. Другой способ работать с нелинейной характеристикой — занести ее в память ЭВМ (тем более, что у современных ЭВМ с памятью проблем нет).

Чувствительность датчика S — это величина, показывающая, как изменяется выходной сигнал Х_ВЫХ датчика при изменении вход­ного параметра Х_т на единицу (например, на сколько ом изме­нится сопротивление датчика (выходная величина) при измене­нии температуры (входная величина) на 1 °С). Чувствительность равна отношению изменения АХ_ВЫХ выходной величины к измене­нию ДА'их входной величины:

S = АА^_!Ь1Х/Ал_вх.

Например, при изменении температуры на 10 К у одного датчи­ка сопротивление изменилось на 100 Ом, а у второго — на 300 Ом. Какой из двух датчиков обладает большей чувствительностью? Конечно, второй, у которого S = 300: 10 = 30 (Ом/К).

Погрешность — это отклонение реального значения выходной величины от идеального (действительного), которое должно быть на выходе датчика при данном значении входного параметра. Раз­личают абсолютную и относительную погрешности.

Абсолютная погрешность — это разность между реальным и иде­альным значениями; она измеряется в тех же единицах, что и выходная величина. Например, идеальная величина сопротивле­ния датчика в процессе преобразования заданного значения тем­пературы должна быть равна 100 Ом, а реально его сопротивле­ние при этой температуре оказалось 105 Ом. Таким образом, абсо­лютная погрешность составляет:

ОЛ ^вых. реал ~~ ^мшх. идеал -^ ^V-JM^.

Однако абсолютная погрешность не может служить мерой точ­ности. Действительно, если мы измеряем температуру около 100 °С с абсолютной погрешностью 1 °С, то ошибка составляет 1 %, что неплохо. Но если с той же абсолютной погрешностью 1 °С мы бу­дем измерять температуру около 5 °С, то ошибка составит уже 20%. Поэтому вводят понятие относительной погрешности — это отношение абсолютной погрешности к идеальному значению вы­ходной величины, %:

ух= (5х/х_ам._шеш)ш.

(Смотри правильные формулы ниже стр 79)

79

 

 

 

Еще более полное представление о точности датчика дает при­веденная погрешность, которая представляет собой отношение максимальной абсолютной погрешности к максимальному для рабочего диапазона данного датчика значению выходной величи­ны, %:

 

Значение этой погрешности определяет класс точности датчи­ка, обычно указываемый в его паспорте.

Нелинейность — это отклонение функции преобразования дат­чика от линейной. Если нелинейность велика, то для уменьшения связанной с ней погрешности в ЭВМ, обрабатывающую сигнал датчика, вводят специальную таблицу поправок (градуировочную кривую).

Например, фрагмент индивидуальной характеристики датчика температуры ТСАД2-СР — зависимость между температурой Т и сопротивлением датчика R — приведен в табл. 4.1. Именно с такой точностью данные вносятся в память ЭВМ.

Инерционность характеризует способность датчика осуществлять преобразование быстроизменяющихся входных параметров. Если датчик не успевает за изменением преобразуемого параметра, то появляется дополнительная погрешность, называемая динамиче­ской.

Она тем выше, чем больше скорость изменения преобразуемо­го параметра.

Важной характеристикой датчиков в процессе эксплуатации является взаимозаменяемость. Если датчики взаимозаменяемы, то при выходе датчика из строя достаточно заменить его другим дат­чиком того же типа, больше никаких изменений в системе конт­роля и управления делать не нужно. В противном случае одновре­менно с заменой датчика надо, например, заменять градуировоч­ную таблицу в ЭВМ и т.д.

Среди прочих характеристик датчиков следует отметить надеж­ность, технологичность, стабильность, отсутствие гистерезиса (т. е. зависимости выходной величины от направления изменения вход­ного параметра).

Так как датчики — самые первые устройства в цепи преобразо­вания значений параметров в сигналы для вывода оператору или воздействия на оборудование технологического процесса, их час­то называют первичными преобразователями.

80