Состояние машин и установок можно контролировать не только человеком, но и специальными устройствами, называемыми чувствительными элементами или датчиками. Датчики применяются как в автоматике, так и в измерительной технике и являются устройствами автоматики и измерений.
Работа систем автоматики основана на информации описывающей состояние ее выходов и отдельных устройств, которая передается в виде электрических, пневматических, гидравлических и т.д. сигналов. Одним из способов получения такой информации является измерение выходов управляемого объекта — всевозможных (механических, тепловых, оптических, электромагнитных и т.п.) физических величин. В современных системах автоматики наибольшее количество информации преобразуется, обрабатывается и передается в виде электрических или оптических сигналов.
Устройство, которое преобразует какую-либо физическую величину (давление, скорость, тепло …) в другую (сигнал), которую удобнее усиливать, измерять, передавать и обрабатывать называется датчиком. В основном датчик воздействует на электрическую цепь, включая или выключая ее, изменяя электрическое сопротивление или вырабатывая электричество.
Преобразование сигналов в датчиках происходит в два этапа:
- Преобразование вида сигнала, например механический в электрический;
- Придание преобразованному сигналу стандартного вида, приемлемого для систем автоматики — нормирование.
Первичный преобразователь в датчике является чувствительным элементом к измеряемой физической величине и преобразует ее в электрическую, которая измеряется при помощи стандартных схем.
Вторичное преобразование осуществляется: усилителями, аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП), импульсными и кодовыми преобразователями и т.п. Фактически датчик представляет совокупность трех элементов:
- первичного преобразователя;
- измерительной схемы;
- вторичного, нормирующего преобразователя для придачи сигналу на выходе датчика стандартного вида.
В зависимости от объема собираемой информации датчики разделяются следующим образом:
- определяющие наличие или отсутствие сигнала — однобитовые;
- определяющие соответствует ли сигнал желаемому, а также знак отклонения — двубитовые;
- выдающие значение измеряемой величины с заданной точностью в цифровом виде — n-битовые, точность измерения и число бит в двоичном слове связаны между собой;
- точность выходного сигнала, которых зависит от входного сигнала — при больших меньше, а при малых выше (n-битовые), при этом количество бит является функцией входного уровня сигнала.
Первые 2 группы (по своему действию) относятся к измерительным реле, соответственно к двух и трехпозиционным — количество состояний их выходов.
Датчики являются важнейшим узлом систем автоматики, т.к. их неточность влияет на работу системы в целом. В реальных условия датчики находятся в местах с более опасной внешне средой, чем остальные узлы систем автоматики и практически их невозможно защитить от воздействия высоких температур, вибрации, экстремальных моментов и сил, а также других факторов. На работу датчиков также могут влиять всевозможные сигналы случайного характера, т.н. измерительные шумы. Учитывая вышеприведенные обстоятельства, к датчикам предъявляются следующие, достаточно высокие технические требования:
- Зависимость между величинами на входе и выходе должна быть однозначной, т.е. гистерезис характеристик должен быть минимальным или отсутствовать;
- Высокая селективность — выход датчика должен зависеть только от измеряемого входа, а не от посторонних сигналов или измерительных шумов;
- Величина на выходе должна зависеть от входной величины линейно, т.е. датчик должен иметь линейную характеристику;
- Датчик должен иметь достаточную чувствительность и стабильные во времени характеристики;
- Сигналы датчика должны действовать в направлении от входа к выходу, влияние нагрузки на работу датчика должно быть минимальным или отсутствовать;
- Датчик должен иметь высокое быстродействие;
- Датчик должен быть устойчивым к воздействиям внешней среды.
- Сигнал от датчика подается на устройство сравнения вместе с заданным сигналом, разность этих сигналов подается на усилитель, аусиленный, сигнал действует на исполнительный орган изменяющий состояние регулируемого объекта.
Классификация датчиков. Датчики можно классифицировать по различным признакам. Одной из таких возможностей является их разделение по входным и выходным величинам. При этом наибольший интерес представляют датчики механических, термических, оптических и электромагнитных величин с электрическим выходом, которые широко используются в системах промышленной автоматики.
К числу механических входных величин можно отнести параметры движения, положение сыпучих и жидких сред, перемещение, скорость, ускорение, толчки, а также силу, давление и момент, действующие на тела. Такое многообразие механических величин на входе датчика требует наличие дополнительного их преобразования самими датчиками, что приведено в таблице 1.
Преобразование механических величин
Электрическими величинами на выходе датчика могут быть:
- активное сопротивление;
- индуктивность;
- емкость;
- ЭДС, генерируемая преобразователем,
зависящие от физической величины (сигнала), измеряемой на входе датчика.
Изменение активного сопротивления, емкости и индуктивности пассивных элементов электрической цепи в общем случае представлено в таблице 2 как изменение комплексного сопротивления Z, где ZR=R ,ZL=ωL и ZC=1/ωC . На основании приведенных в ней физических величин можно создать разнообразные преобразователи для представления неэлектрических величин в виде электрических — комплексного сопротивления или ЭДС.
Принцип работы первичных преобразователей имеющих электрический выход
Наряду с преобразователями непрерывным сигналом на выходе щироко используются преобразователи дискретного типа — релейные. На выходе таких преобразователей происходит срабатывание замыкающего (NO), размыкающего (NC) или переключающего (NO/NC) электрических контактов. Принцип работы преобразователей дискретного типа представлен в нижеследующей таблице.
Принцип работы первичных преобразователей с дискретным выходом
Сигналы датчиков. В современных системах автоматики, а соответственно и датчиках используются как непрерывные — аналоговые так и прерываемые — дискретные сигналы.
Дискретные сигналы делятся на импульсные и цифровые. К импульсным сигналам относятся такие, в которых информация может быть представлена в виде основных параметров импульса:
- высоты, амплитуды (Ai);
- продолжительности, ширины (ti);
- периода (ti), частоты (fi);
- сдвига или фазового угла (ji) относительно тактового импульса.
В зависимости от вида вышеприведенного параметра различаются следующие виды импульсной модуляции:
- Амплитудная — АМ;
- Широтная — ШИМ;
- Частотная — ЧМ;
- Фазовая — ФМ,
которые соответственно представлены на нижеследующем рисунке.
τ=1/2fmax или f1=1/τ1=2fmax,
где fmax наибольшая частота гармонической компоненты в спектре сигнала.
В случае если параметры импульса не определены один импульс содержит один бит информации, т.е. при наличии импульса сигнал соответствует 1, а его отсутствии сигнал соответствует 0. Сигналы, которые имеют только два различных значения, называются бинарными сигналами.
Один импульс содержит один бит информации. Оперируя двумя импульсами можно передать 22 = 4 бита информации и т.д. Многобитовые сигналы можно представить в виде двоичного кода, в этом случае имеем дело с цифровыми сигналами. В цифровой технике наиболее часто применяются 8, 10, 12 и 16 битовые сигналы, которые соответственно содержат 28 = 256, 210=1024, 212 = 4096 и 216 = 65536 бит информации.
Нормирование сигнала состоит в придаче сигналу первичного преобразователя стандартной величины по току и напряжению (0,4 — 20 мА; 0 — 10 В), передаче его через стандартный разъем, в котором число штырьков и расположение контактов в нем определены стандартом.
При нормировании аналоговых сигналов широко применяются операционные усилители с походящим коэффициентом усиления.
При нормировании дискретных сигналов сигналам первичного преобразователя придаются стандартные значения амплитуды, частоты или они представляются в виде цифровых сигналов и передаются посредством стандартного протокола обмена данными.
Источник: http://www.e-ope.ee/_download/euni_repository/file/2393/Teooria.zip/__19.html