Датчики технологічних параметрів

4.2.2.1 Загальні відомості. Існує величезна кількість найрізноманітніших датчиків. У них використовуються різні фізичні явища і залежності між різними фізичними величинами. Датчики можна об'єднати в групи (класифікувати) за загальними для кожної групи ознаками.

Можна, наприклад, розглянути окремо датчики, засновані на електромагнітних, теплових, оптичних і інших явищах, а можна згрупувати їх по виду перетворюваних технологічних параметрів: переміщення, швидкість, сила, температура та ін. Тому в назві датчиків згадуються зазвичай два параметра: вхідний технологічний параметр (наприклад, переміщення) і вихідний параметр, визначений принципом перетворення (наприклад, індуктивність). Повна назва — індукційний датчик переміщення.

Із-за великої різноманітності конструкцій датчиків, які використовуються в різних виробничих галузях, розглянемо тільки принципи роботи датчиків, згрупованих по виду перетворюємих технологічних параметрів.

Якщо розглянути будь-який технологічний процес, то можна виділити в нім такі операції, як переміщення інструментів або виробів, нагрів, силову дію, створення тиску, контроль положення різних об'єктів, їх стани, підрахунок кількості та ін.

При виконанні цих операцій вручну робітники користуються різними вимірювальними інструментами. Автоматизація технологічних процесів вимагає застосування датчиків для конт-ролю і виміру усіх параметрів, що впливають на процес. Розглянемо, як датчики перетворять в електричний сигнал переміщення, швидкість, силу, тиск, температуру, як вони визначать стан і кількість об'єктів, а також оцінять основні характеристики цих датчиків

4.2.2.2 Первинні механічні перетворювачі. Ми розглядаємо датчики, що формують електричні сигнали, але бувають ситуації, коли застосувати датчик, що безпосередньо перетворює який-небудь неелектричний параметр в електричний сигнал, неможливо або недоцільно. Тоді використовують проміжний пристрій, який перетворює цей параметр в іншій, теж неелектричний, але зручніший для подальшого перетворення в електричний сигнал.

Проміжні перетворювачі лінійних переміщень. Лінійне переміщення в діапазоні від доль міліметра до десятків сантиметрів досить просто перетворяться в електричні сигнали датчиками переміщення. Проте точне перетворення малих переміщень часто обмежене вузьким робочим діапазоном або низькою чутливістю цих датчиків, а при великих переміщеннях розміри датчиків теж виявляються великими.

В той же час існують прості механічні перетворювачі лінійного переміщення в кутове з високою чутливістю і лінійною функцією перетворення. Вони використовуються, наприклад, в індикаторах малих переміщень годинникового типу.

Кутове переміщення (обертання) має важливу властивість: збільшення кута повороту до будь-яких значень не веде до збільшення розмірів датчика, воно не пов'язане з розмірами обертаючого тіла. Кут повороту обмежений тільки конструкцією перетворювача і може бути як дуже малим, так і дуже великим при незмінних розмірах пристрою.

У перетворювачах лінійного переміщення в кутове є шток із зубчастою лінійкою, що контактує із зубчастим колесом (рисунок 22). При переміщенні штока відбувається поворот зубчастого колеса на кут, пропорційний переміщенню. У індикаторах годинного типу використовують ланцюжок сполучених одне з одним зубчастих коліс з різною кількістю зубів, завдяки чому навіть дуже мале переміщення (наприклад, на декілька сотих міліметрів) призводить до повороту останнього в ланцюжку зубчастого колеса на кут в десятки градусів.

Аналогічно працює перетворювач переміщення комп’ютерної миші, але в ній замість штока використовується кулька, котра при переміщенні по поверхні обертає притиснуту до нього вісь оптичного датчика кута повороту.

Такі перетворювачі при малих розмірах мають дуже широкий робочий діапазон, в якому зберігається одна і та ж невелика абсолютна похибка (менше 0,01 мм в індикаторах годинникового типу). Це дозволяє використовувати один перетворювач для точного виміру як дуже малих, так і дуже великих переміщень.

Проміжні перетворювачі сили і тиску. Сила і тиск здатні деформувати тіла, тобто змінювати їх форму і розміри

Рисунок 22 - Перетворювач лінійного переміщення

Рисунок 23 - Перетворення сили в переміщення

Якщо ця деформація пружна, тобто тіло після припинення дії вертається до колишньої форми і розмірів, то таке тіло може використовуватися в якості перетворювача сили і тиску в деформацію, яка виражається в лінійному або кутовому переміщенні частин тіла. Такі перетворювачі називаються механічними пружними перетворювачами.

Прості перетворювачі сили такого типу — пружина або стрижень, до яких прикладена сила (рисунок 23). Пружина під дією сили розтягується або стискується, і переміщення її незакріпленого кінця може бути перетворений електричний сигнал розглянутими далі датчиками переміщення. Стрижень теж розтягується або стискується, але оскільки його деформація зазвичай дуже мала, зручніше використовувати для подальшого перетворення датчики не переміщення, а деформації, які сприймають дуже малі зміщення ділянок поверхні деформованого тіла і перетворять їх в сигнали.

Як відомо, при прискореному русі тіла воно давить на опору з силою, пропорційною прискоренню, тому перетворювачі сили можуть використовуватися і для виміру прискорення.

Перетворювачем тиску рідини або газу може служити порожниста посудина з розташованою в торці мембраною, яка відчуває тиск по усій своїй поверхні (рисунок 24, а). Результатом дії буде прогин мембрани, тобто деформація її поверхні, яка потім перетвориться в електричний сигнал датчиком деформації або переміщення.

Рисунок 24 - Перетворювачі тиску: а — мембранний; б — сільфон; в — трубчастий

Рисунок 25 – Біметалічні перетворювачі: а – плоский; б - спіральний

Елементом, що деформується залежно від тиску, можуть бути і гофровані стінки посудини (рисунок 24, б). В цьому випадку тиск призводить до розтяжіння стінок і лінійному переміщенню торця сільфону. Чутливість перетворювача тиску можна збільшити заміною сільфону на спіральну трубку, запаяну на кінці (рисунок 24, в). Під дією тиску трубка розкручується навколо осі спіралі. Вихідною величиною може бути як лінійне, так і кутове переміщення кінця трубки.

Проміжні перетворювачі температури. Для виміру температури нерідко використовують пристрої, що перетворюють її в лінійне або кутове переміщення. Для цього застосовують плоскі або спіральні пружини, виготовлені з біметалу (рисунок 25).

Біметал — це двошаровий лист, шари якого складаються з різко температурними металами, що відрізняються, коефіцієнтами розширення. При збільшенні температури один з шарів подовжується більше, ніж інший. Оскільки шари спаяні, відбувається вигин пластини або закручування спіралі. Вхідний параметр цього перетворювача — температура, вихідна величина — лінійне або кутове переміщення. При цьому деформація виявляється пропорційною зміні температури, тобто функція перетворення практично лінійна. Такий перетворювач використовується, наприклад, в регуляторі температури електричної праски або в якості покажчика температури в духовці газової плити.

Розглянуті перетворювачі сили, тиску і температури прості, мають малі розміри, похибка перетворення складає зазвичай близько 1 %.

4.2.2.3. Датчики лінійних і кутових переміщень. Реостатні датчики. Основу цих датчиків складає реостат — плоска або згорнута в кільце пластина з ізоляційного матеріалу, на яку намотаний з рівномірним кроком ізоляційний дріт (рисунок 26). Матеріалом дроту може бути манганін, константан, ніхром або інший сплав з високим питомим електричним опором. На межі пластини ізоляція дроту зачищається, і по металу ковзає щітка у вигляді декількох пружної тяганини або пластини з навареним контактом. Для підвищення зносостійкості щітки виготовляють зі срібла, платини і їх сплавів, а тиск щітки на дріт не перевищує 0,1 Н.

Вхідний параметр плоского реостата — лінійне переміщення щітки, а кільцевого — її кутове переміщення. Вихідна величина реостатного датчика — активний опір ділянки дроту між щіткою і одним з кінців реостата. Хоча зміна опори при русі щітки від витка до витка відбувається ступінчасто, вихідну величину розглядають як аналогову, оскільки величина «сходинок» мала. Для зменшення «сходинок» і плавної зміни опору реостат намотують тонким дротом.

Реостатні датчики використовуються спільно з поплавцем для виміру рівня і об'єму рідини (рисунок 27, а), спільно з механічними пружними перетворювачами для виміру сили, тиску або моменту сили (рисунок 27, б), їх часто використовують спільно із виконавчими механізмами для отримання інформації про переміщення робочого органу.

Датчики ємностей. У основі роботи датчиків ємностей лежить залежність ємності конденсатора З від його геометричних розмірів: площі обкладань S і відстані між ними d:

де — абсолютна діелектрична проникність матеріалу, що знаходиться між обкладаннями.

Вхідною величиною датчика ємності є лінійне або кутове (залежно від конструкції) переміщення однієї обкладинки відносно іншої або зміна діелектричної проникливості речовини, а вихідний — зміна електричної ємності.

Для виміру малих переміщень (до 1 мм) використовують датчики зі зміною проміжку між обкладинками (рисунок 28, а). Спільно з мембранним первинним перетворювачем тиску (рисунок 28, б) такий датчик може використовуватися для перетворення тиску в електричний сигнал.

Рисунок 26 – Реостати: а – плоский; б - кільцевий

Рисунок 27 - Застосування реостатних датчиків: а — для виміру рівня рідини; б — для виміру тиску рідини або газу; 1 — поплавець; 2 — вісь обертання покажчика; 3 — движок реостата

Для виміру великих кутових переміщень використовується ємнісний датчик з площею перекриття обкладинок, що змінюється, оскільки його ємність лінійно залежить від площі, а отже, і від кута повороту рухливої пластини (рисунок 29, а). Такі датчики можуть застосовуватися, наприклад, для визначення кута повороту заслінки на трубопроводі або керма літака.

Відносно великі лінійні переміщення можна вимірювати за допомогою циліндричного датчика ємності (рисунок 29, б), у якого площа перекриття циліндричних обкладинок, розділених діелектриком, прямопропорційна подовжньому переміщенню однієї обкладинки відносно іншої.

Аналогічний датчик, виконаний у вигляді циліндра з центральним стрижнем, може використовуватися для виміру вологості матеріалу (наприклад, волокна або зерна), якщо випробуємий матеріал помістити всередину циліндра і використовувати його як діелектрик. Наявність вологи в матеріалі істотно змінює його діелектричну проникність і відповідно ємність такого конденсатора.

Рисунок 28 – Датчик ємності малих переміщень: а — схема роботи; б — застосування для виміру тиску

Рисунок 29 - Датчики ємностей зі змінною площею перекриття обкладинок (стрілками показаний напрям переміщення рухливого елемента):а — плоский; б — циліндричний

До переваг датчиків ємностей відносяться простота, малі габаритні розміри і висока чутливість (до 500 В/мм, якщо в якості вихідного сигналу розглядати напругу на конденсаторі). Їх недоліками є великий внутрішній опір (а отже, мала потужність вихідного сигналу), залежність від температури і необхідність живлення від джерела змінної напруги високої частоти.

Датчики ємності застосовуються для виміру лінійних і кутових переміщень, товщини стрічок і покриттів, вологості матеріалів.

Електромагнітні датчики. У основу роботи електромагнітних датчиків покладена залежність характеристик магнітного ланцюга від механічної дії на елементи, що утворюють цей ланцюг.

Електромагнітні датчики переміщення складаються з серцевини — магнітопроводу, виконаного із сталевих або пермалоєвих пластин, фериту або іншого феромагнітного матеріалу, і однієї або декількох обмоток. Магнітопровід має рухливий елемент, переміщення якого є вхідною величиною перетворювача. Розрізняють два типи таких датчиків: індукційні і трансформаторні.

Принцип роботи індукційних датчиків пояснює рисунок 30. Переміщення рухливого елементу — якоря — відносно нерухомій частині серцевини призводить до зміни ширини повітряного проміжку в магнітопроводі. Це, у свою чергу, викликає зміну індуктивності обмотки датчика, яке і являється вихідною величиною (тому така назва — «індукційний датчик переміщення»). Штриховими лініями на рисунку 30 показаний той, що змінюється при переміщенні якоря магнітний потік.

Функція перетворення — лінійна в області малих проміжків, тому такі датчики застосовуються для виміру переміщень від 0,01 мм до декількох міліметрів

Рисунок 30 – Схема роботи індуктивного датчика зі змінною шириною зазора.

Рисунок 31 – Схема роботи індуктивного датчика зі змінною площиною зазора

Для виміру переміщень до 15...20 мм використовують індуктивні датчики з площею проміжку (рисунок 31), що змінюється. Вхідним параметром також є переміщення рухливого еле-мента, магнітопровода, що вводиться в проміжок.

Для виміру переміщень до 100 мм застосовують індуктивні датчики соленоїдного типу (рисунок 32). У них індуктивність обмотки прямопропорційна довжині х введеної в соленоїд частини рухливого осердя.

Індуктивні датчики живляться від джерела змінної напруги. Оскільки їх індуктивність відмінна від нуля при будь-кому, у тому числі початковому положенні якоря, вони створюють великий вихідний сигнал навіть при нульовому значенні вхідного параметра.

Цей недолік можна істотно зменшити застосуванням диференціальних датчиків (рисунок 33), в яких використовуються два нерухомі осердя з обмотками, ввімкненими зустрічно. Якір розташований між осердями на однаковій довжині від них, тому в початковому стані магнітні потоки в осердях однакові, отже, однакові індуктивності обмоток і напруги на них, а різниця цієї напруги дорівнює нулю.

Коли якір зміщується у бік одного з осердь, магнітний потік в цьому осерді збільшується, а в іншому - зменшується. Індуктивності обмоток і напруги на них стають різними, що призводить до появи вихідного сигналу.

Рисунок 32 - Схема роботи індуктивного датчика соленоїдного типу

Рисунок 33 - Схема роботи диференціального індуктивного датчика

Дуже великі переміщення (наприклад, переміщення супорта металорізального верстата) можна виміряти за допомогою індуктивного датчика із зубчастим осердям (мал. 4.13). При русі датчика уздовж зубчастої лінійки, закріпленої на станині верстата, індуктивність його обмотки періодично змінюється. Коли торці осердя датчика знаходяться над зубцями лінійки, індуктивність обмотки максимальна, а при зміщенні осердя в область між зубцями індуктивність зменшується. Відповідно струм в ланцюзі міняється від мінімального до максимального, утворюючи перепад (імпульс). Один імпульс відповідає переміщенню датчика на один крок зубів.

Вихідна величина такого датчика — кількість перепадів струму (імпульсів) в ланцюзі обмотки; точність виміру залежить від кроку зубів.

Усі індуктивні датчики — параметричні, живляться від джерел змінної напруги, як правило, промислової частоти 50 Гц. Перевагами індуктивних датчиків є велике значення вихідного сигналу, висока чутливість, надійність і простота; їх похибка — близько 1 %.

Рисунок 34 – Схема роботи індуктивного датчика із зубчастим осердям

Рисунок 35 - Схема роботи трансформаторного датчика

У трансформаторних датчиках використовується явище зміни взаємної індуктивності обмоток при переміщенні рухливого елементу магнітопровода (мал. 4.14) відносно його нерухомої частини. Одна з обмоток (первинна) живиться від джерела змінної напруги, з вторинної обмотки знімається вихідний сигнал.

На вигляд датчик схожий на звичайний трансформатор, використовуваний для отримання змінної напруги потрібної величини. Проте наявність повітряного проміжку в магнітопроводі призводить до того, що магнітний потік в нім, як і в індуктивному датчику, залежить від величини проміжку. Чим менше проміжок, тим більше магнітний потік і тим більша електрорушійна сила виникає у вторинній обмотці, і навпаки. Таким чином, вхідна величина трансформаторного датчика є переміщення рухливого елементу магнітопровода, а вихідний — напруга на виході вторинної обмотки. Область вимірюваних переміщень — від сотих доль міліметра до декількох міліметрів.

Для виміру переміщень до 100 мм і більше використовуються трансформаторні датчики з розподіленими магнітними параметрами (рисунок 36). Вторинна обмотка у них рухлива і може ковзати по магнітопроводу, магнітний потік в якому показаний штриховими лініями. У просторі навколо магнитопроводу, як завжди, існує магнітне поле, яке просочує рухливу обмотку. У лівому положенні обмотки магнітний потік, що проходить через неї, максимальний, як і виникаюча в ній ЕРС (вихідний сигнал датчика). У міру зміщення вправо магнітний потік, що проходить крізь обмотку, зменшується і в крайньому правому положенні він мінімальний, відповідно мінімальний і вихідний сигнал.

Рисунок 36 – Схема роботи трансформаторного датчика з разподіленними магнітними параметрами

Рисунок 37 – Схема дифференціального трансформаторного датчика

Трансформаторні датчики по конструкції і характеристикам дуже схожі на індуктивні. Вони теж можуть бути дифференціальними (рисунок 37), що також покращує їх характеристики. Нова відмінність від індуктивних датчиків трансформаторні датчики можна віднести до датчиків генераторного типу. Хоча вони і вимагають для своєї роботи наявності джерела напруги, але I ш малий безпосередньо на виході датчика активний — електрорушійна сила, яка може бути легко виміряна. Це призвело до широкого поширення трансформаторних датчиків переміщення, особливо диференціальних, в автоматичних системах контролю і управління.

Трансформаторні датчики, як і індуктивні, надійні, прості (мають високу чутливість і великий вихідний сигнал).

Оптичні датчики. Основними елементами оптичних датчиків є (рисунок 38) джерело випромінювання, оптичний канал і приймач випромінювання.

Вхідним параметром оптичного датчика, як правило, являеться переміщення об'єкту, що впливає на оптичний канал (що перекриває потік світла від джерела до приймача); вихідним параметром — електричний сигнал (электродвижу-щая сила або струм), що формується приймачем випромінювання.

Як джерела випромінювання використовують як лампи нака-ливания, так і світлодіоди — напівпровідникові прилади, из-лучающие світло при проходженні електричного струму, а також напівпровідникові лазери. Світлодіоди можуть створювати і неви-димое інфрачервоне випромінювання, що дозволяє уникати засвічення приймача випромінювання, чутливого тільки до інфрачервоного випромінювання, від сторонніх джерел, у тому числі від денного світла.

Оптичним каналом, як правило, являється звичайне воздуш-ная середовище, хоча для передачі оптичних сигналів на великі відстані використовують оптоволоконні лінії зв'язку.

Приймачами випромінювання служать вакуумні фотоелементи або напівпровідникові прилади: фоторезистори, фотодіоди і фо-тотранзисторы.

У фотоелементі світло вибиває електрони з металевого внутрішнього покриття колби і під дією електричного поля електрони рухаються у вакуумі до анода, створюючи електричний струм.

Фоторезистор — напівпровідниковий елемент, в якому дей-ствие світла викликає падіння опору напівпровідника, внаслідок чого струм, що проходить через нього, росте.

У фотодіоді енергія світла перетвориться в електричну энер-гию завдяки іонізації напівпровідника фотонами і возник-новению пара електрон-дірка, накопичення яких в зоні р-п-перехода приводить до появи фотоЕРС. В результаті в ланцюзі освітленого фотодіода з'являється струм, що використовується, в част-ности, для створення сонячних батарей.

У фототранзисторі завдяки наявності другого р-n -перехода відбувається значне збільшення струму у вихідному ланцюзі в порівнянні з фотодіодом, т. е. чутливість фототранзистора до світла істотно вища.

Оптичні датчики можуть перетворювати переміщення в електричний сигнал як в аналогове, так і в дискретне ре жимі. У першому випадку оптичний канал має ширину до не-скольких міліметрів і переміщення непрозорого об'єкту в зоні каналу призводить до його часткового, більшого або меньше-му, перекриттю. Відповідно до зміни освітленості при-емника випромінювання міняється і вихідний сигнал. Метод перекры-тия світлового потоку використовується, наприклад, при воспроизведе-нии звукового супроводу фільму, записаного на кіноплівку. Зміна освітленості фотоприймача застосовується також для контролю прозорості газу або рідини, поміщених на шляху світлового потоку.

Рисунок 38- Схема роботи оптичного датчика: джерело випромінювання; 2 — оптичний канал; 3 — приймач випромінюванні

Рисунок 39 – Схема роботи датчика компютерної миші

1 – світлодіод; 2 – оптичний канал; 3 – фотодіод; 4 – шарик; 5 – перериватель потоку.

Дискретний режим використовується, наприклад, в оптичному датчику комп'ютерної миші, принцип роботи якого пояснює рисунок 39. Кутове переміщення зубчастого колеса призводить до періодичного перекриття оптичного каналу кожного разу, коли колесо обертається на кут, що відповідає кроку зубів. В результаті зміни освітленості приймача излу-чения змінюється і значення струму або напруги на його вы-ходе. Вихідна величина датчика — кількість імпульсів в ланцюзі приймача випромінювання, причому чим більше переміщення, тим більше кількість імпульсів і менше погрішність пре-образования.

Цей же принцип може використовуватися і для виміру ли-нейных переміщень; досить забезпечити рух датчика Уздовж зубчастої лінійки подібно до того, як це робиться в индук-ции юм датчику із зубчастим сердечником (див. мал. 4.13).

Оптичні датчики прості, надійні, довговічні, мають Малі масу і розміри, малу інерційність. Їх недоліком мри роботі в аналоговому режимі являється вплив на результат перетворення температури і стану довкілля (за-ш.пп'иности, зовнішнього засвічення і так далі).

4.2.2.4. Датчики швидкості. Ддя роботи усіх розглянутих раніше електромагнітних датчиків потрібно джерело живлення. На відміну від них індукційні датчики самі здатні генерувати електричну енергію, тобто вони відносяться до активних (генераторним) датчиків

Рисунок 40 – Схема роботи індуктивного датчика (стрілкою показаний напрям переміщення котушки)

що перетворює механічну енергію зовнішньої дії на них в електричну енергію. Вхідний параметр индукционньгх датчиків — швидкість лінійного або кутового переміщення под-вижной котушки (ротора), в якій і з'являється вихідний сигнал у виді ЕРС.

У індукційних датчиках використовується явище электромагнит-ной індукції, тобто виникнення ЕРС в електричному ланцюзі при зміні магнітного потоку, що пронизує цей ланцюг. Вели-чина що виникає ЕРС залежить від швидкості зміни магнит-ного потоку, що проходить крізь обмотку датчика, тому ин-дукционные датчики застосовуються для виміру швидкості ли-нейного або кутового переміщення (наприклад, в тахометрах або спідометрах автомобілів). Іншим прикладом індукційного дат-чика є магнітоелектричний мікрофон, що перетворює звукові коливання мембрани, пов'язаної з котушкою, що переміщається в магнітному полі, в електричні сигнали.

Принцип роботи датчика швидкості переміщення рухливої котушки, що дозволяє вивчати характеристики вібраційних процесів, пояснює рисунок 40.

4.2.5. Датчики деформації. У подразд. «Первинні механічні перетворювачи» були розглянуті перетворювачі сили і тиску в деформацію. Вимірявши деформацію, можна визначити величину початкового параметра, що викликав її. Деформація завжди пов'язана зі зміною розмірів тіла, тому її вимір сво-дится до виміру переміщення одних ділянок поверхні тіла відносно інших. Якщо деформація значна, то можна застосувати один з розглянутих раніше датчиків переміщення, наприклад реостатний, місткістю, індуктивний або оптичний. Проблеми виникають, коли деформація настільки мала, що визначити її датчиками переміщення неможливо. В той же час ця деформація може бути викликана додатком досить великої сили, яку іншим способами виміряти неможливо У такому разі використовують тензометрические датчики на ос але п. тензорезисторов.

Рисунок 41 - Тензорезистор

Робота цих датчиків заснована на тен-зоэффекте, т. е. зміні активного элек-трического опору провідника при його механічній деформації. Як извест-но, опір металевого провод-ника пропорційно його довжині і обернено пропорційно до площі поперечного перерізу. При розтягуванні провідника його довжина збільшується, а площа перерізу зменшується, і така подвійна дія призводить до помітної зміни його со-противления.

Зазвичай тензорезисторы виготовляються у вигляді зигзагообраз-но укладеного і наклеєного на тонкий папір дроту (рисунок 41) діаметром 0,02...0,05 мм або фольги, покритої згори за-щитным лаком. Для зручності подальшої обробки сигналу ис-пользуют проволікатиму із сплавів з високим питомим сопротивле-нием — манганіну, константана або ніхрому. Шар, що проводить, може бути також виготовлений напиленням на підкладку у вакуумі (напилюються не лише метали, але і напівпровідники).

Тензорезистор наклеюється на елемент, що деформується. Вихідна величина тензорезистора — зміна опору — пропорційна деформації елементу. Опір преоб-разуется в напругу відповідним пристроєм нормализа-ции сигналів.

Тензометрические датчики прості, не дороги, мають линей-ную функцію перетворення, малі габаритні розміри і мас-су. Їх погрішність складає від 0,1 до 5 %.

Недоліками тензодатчиків є мала чутливість І невеликий діапазон вимірюваних деформацій, слабкий выход-ной сигнал, а також залежність вихідної величини від темпе-ратуры. Температура не лише впливає на опір тензо-резистора, але і викликає додаткову деформацію иссле-дуемого елементу, тому доводиться проводити предваритель-ную калібрування вже наклеєного тензорезистора (тензорезистор треклеиванию не підлягає, тобто цей виріб разового примене-ния).

Чутливість напівпровідникових тензометрических датчиків приблизно в 100 разів вища, ніж дротяних, але і вплив температури на них набагато сильніший.

4.2.6. Датчики сили. Для виміру сили можна використовувати перетворювачі, описані в подразд. «Первинні механічні перетворювачи», спільно з датчиками переміщення або деформації. Але існують датчики, які безпосередньо перетворюють силу в електричний сигнал. Розглянемо два види таких датчиків: магнітопружні і п'єзоелектричні.

Рисунок 42 – Схема роботи магнітопружного датчика сили

У основі роботи магнітопружних датчиків лежить зміна магнітної проникності феромагнітних тіл під дією прикладеної сили. Збільшення сили, прикладеної до магнито-проводу (рисунок 42), веде до зменшення магнітною проницаемо-сти матеріалу сердечника і відповідно до зменшення ин-дуктивности обмотки. В результаті змінюється струм в обмотці, ко-торый і являється вихідний величиною датчика. На жаль, ці зміни лінійні лише в невеликому діапазоні зміни сили.

На відміну від індуктивних і трансформаторних преобразовате-лей, магнітопружні датчики мають суцільного сердечника і мо-гут бути як дросельного (з однією обмоткою), так і трансформа-торного типів. У датчику трансформаторного типу змінюється ко-эффициент трансформації, за рахунок чого змінюється вихідна напруга на вторинній обмотці.

Чутливість магнітопружних датчиків складає близько 1 мВ/Н. Вони можуть застосовуватися для виміру як постійних, так і таких, що змінюються сил.

У п'єзоелектричних датчиках використовується п'єзоефект, ко-торый полягає у виникненні різнойменних електричних зарядів на протилежних гранях деяких кристалів (кварц) або кераміки (титанат барії) під дією сили (рисунок 4.3). Різниця потенціалів між гранями являється вихідний величиной такого датчика.

Рисунок 43 – Схема п'єзоелектричного датчика сили: а – дія тиску на кристал; б – виникнення різниці потенціалів при стисненні кристала

На жаль, при незмінній прикладеній силі різниця потенціалів швидко убуває, оскільки заряди «стікають» з крис-талла через довкілля. Тому п'єзодатчики использу-ют тільки для виміру сил, що змінюються, або прискорень, на-пример при дослідженні вібрацій. Широко відомий приклад застосування цих датчиків — звукознімачі програвачів грамплатівок і п'єзоелектричні мікрофони.

Простота і надійність п'єзодатчиків забезпечили зручність їх застосування в автоматичних системах.

4.2.2.7. Датчики температури. У автоматичних системах знайшли широке застосування датчи-ки двох видів: на основі термоелектричних перетворювачів (термопар) і терморезисторів.

Термопара — це електричний ланцюг, складений з двох раз-нородных провідників. Місце їх з'єднання називають гарячим спаєм. Якщо температура спаю відрізняється від температури свобод-ных виводів провідників, то між виводами виникає элект-родвижущая сила, пропорційна різниці температур між ними і спаєм. Таким чином, термопара — це активний (гене-раторный) датчик, здатний перетворювати теплову энер-гию безпосередньо в електричну, — термоЕРС. Висновки тер-мопары поміщають в середу з постійною, зокрема комнат-ной, температурою і сполучають з вимірювальним пристроєм сполучною лінією (мал. 4.23), до матеріалу якої при точ-ных вимірах пред'являються особливі вимоги.

Величина термоЕРС залежить від матеріалу провідників, обра-зующих термопару, який, у свою чергу, визначається диа-пазоном вимірюваних температур. Наприклад:

· медь-константан — до 300 °С;

· мідь-нікель — до 600 °С;

· хромель-копель — до 800 °С;

• хромель-алюмель — до 1 300 °С;
• платина-платинородий — до 1 600 °С.

Рисунок 44 – Коло з термопарою: 1, 2 – разнородні проводники

Залежно від матеріалів термопари величина термоЕРС (вихідна величина датчика) складає від десятків мікровольт до десятків милливольт.

Оскільки гарячі середовища зазвичай агресивні, термопару поміщають в герметичний сталевий або фарфоровий корпус, від якого її електрично ізолюють, наприклад азбестом або фарфором (рисунок 45). Дроти термопари мають бути довгими, щоб їх вільні кінці можна було помістити в середовище з температурою, при якій велося градуювання термопари. Не дивлячись на малі габаритні розміри самого спаю в цілому термопара має діаметр робочої частини в межах декількох міліметрів (від 1 до 10) і довжину від 10 до 100 см Безкорпусні термопари можуть використовуватися для точкового визначення темпера-туры, оскільки розмір самого спаю менше 1 мм.

Термопари — єдиний засіб для виміру дуже вы-соких температур в діапазоні 1 500... 2 500 °С.

Терморезистор — це спіраль з дроту або стержень з напівпровідника, поміщені в захисний корпус, подібний до корпусу термопари. Висока теплопровідність корпусу обеспе-чивает передачу теплоти до терморезистора. Як відомо, при из-менении температури опір і провідників, і полупро-водников міняється, але по-різному: з ростом температури сопро-тивление провідників практично лінійно збільшується, а по-лупроводников — нелінійно зменшується.

Серед металевих терморезисторів найбільші рас-пространение отримали мідні і платинові. Терморезистори (термометри опору ТСМ) мідні найдешевші; їх використовують в температурному діапазоні — 50...+180 °С. Терморези-сторы платинові (ТСП) дорогі, але вони працюють у більше ши-роком діапазоні (— 200... +650°С) і є найбільш точними засобами виміру температури (погрішність — від 0,001 °С).

Рисунок 45 - Пристрій датчика на основі термопари: 1 — спай; 2 — захисна трубка; 3 — пробка; 4 — виводи; 5 — ізолятор; 6 — фарфоровий наконечник

Вихідна величина терморезисторів — зміна опору. Із-за малого власного опору металевих терморезисторів (десятки ом) на результат перетворення сильно впливає опір лінії зв'язку, що змушує до прийняття спеціальних заходів, зокрема, використанню трьох- або чотирьохпровідникових ліній зв'язку терморезистора з вимірювальним ланцюгом пристрою нормалізації сигналів (рисунок 46). У такій лінії відносно великий струм живлення терморезистора / протікає по одній парі дротів, створюючи в ній помітне падіння напруги, зате інформаційний сигнал у вигляді напруги на терморезисторі I/ передається у вимірювальний ланцюг практично без втрат, оскільки струм в цій парі провідників із-за високого вхідного опору вимірювального ланцюга дуже малий.

Рисунок 46 - Підключення датчика чотирипровідною лінією

Велика інерційність терморезисторів (до декількох хвилин) не дозволяє застосовувати їх для виміру швидких перепадів температури.

Напівпровідникові терморезистори мають більш високу чутливість, менші габаритні розміри і дозволяють вимірювати температури, близькі до абсолютного нуля (від — 270 °С). Їх основний недолік — істотна нелінійність функції перетворення при дуже великому діапазоні зміни власного опору (таблиця 1), що ускладнює побудову вимірювальних ланцюгів. Так, опір терморезистора ТПК-620 при температурі — 269 °Із складає близько 10 000 Ом, а при +20 °З — всього 0,002 Ом.

Більшість напівпровідникових терморезисторів мають робочий діапазон - 50...+300 ° С, в якому їх опір змінюється від сотень кілоом до сотень ом. Конструктивно вони можуть бути схожі на звичайні резистори або можуть бути поміщені в металевий або скляний корпус.

4.2.2.8. Датчики дискретних параметрів. До основних дискретних параметрів, перетворюваним датчиками в електричні сигнали, можна віднести стан об'єкту (включений-вимкнутий«,»відкритий-закритий«і так далі) і кількість об'єктів. Часткою випадком параметра»стан«можна рахувати параметр»код«(операції, позиції і так далі), який, як і стан, визначається за деякою ознакою або набором ознак.

Як вже говорилося раніше, будь-який аналоговий (т. е. Безперервний) параметр може дискретизувати, т. е. представлений набором значень, що відрізняються один від іншого на певну величину. Припустимо, що супорт оброблювального верстата може мати фіксовані значення кута повороту 0, 10, 20° і так далі. Кут повороту — величина аналогова, але якщо пронумерувати положення супорта, то ми матимемо справу з дискретними величинами — кодами позицій: 1, 2, 3 і так далі. Для отримання інформації про те, на який кут повернений супорт в цей момент, можна використовувати датчик кутового переміщення, але якщо на супорті є покажчик, по якому можна визначити код позиції супорта, то простіше використовувати датчик стану.

Різниця між датчиками стану і кількості в наступному. Датчик стану формує електричний сигнал, що однозначно відповідає одному з двох або декількох ознак стану об'єкту. Наприклад, двигун включений — на виході датчика є сигнал; двигун вимкнений — на виході датчика сигналу немає. І наявність, і відсутність сигналу містять інформацію про стан об'єкту.

Датчик кількості формує сигнал за наявності єдиної ознаки (наприклад, за наявності виробу на конвеєрі), після чого він повертається в початковий стан. При кожній черговій появі цієї ознаки формується новий сигнал, тобто саме в наявності цього сигналу полягає корисна інформація.

Сигнали з датчика кількості поступають на пристрій обробки дискретних сигналів — лічильник, який підраховує кількість сигналів, що поступили, а значить, кількість об’єктів, з якими пов'язаний датчик. Сигнали з датчика стану поступают на інший пристрій — регістр, по якому оператор або пристрій, що управляє, судять про стан об'єкту, з яким пов'язаний датчик.

Простий датчик дискретних параметрів — контактний (мал. 4.26). Його дискретний вхідний параметр — переміщення; дискретна вихідна величина — опір електричного ланцюга, який може бути або рівним нулю (контакти замкнуті), або нескінченно великим (контакти розімкнені). Дискретність вхідного параметра означає, що датчик сприймає тільки два значення переміщення штока, що рухається, відносно нього до початкового положення: або переміщення менше визначеною значення і контакт розімкнуть, або більше і контакт замкнутий. Такий датчик може використовуватися, наприклад, як кінці іон вимикач ланцюга управління елементом, що рухається, досягнутим крайнього положення, або для контролю гранично допусти мого розміру деталей на конвеєрі. Погрішність його може бути 1 дуже маленькою — близько 1 мкм.

Рисунок 47 Контактний датчик переміщення

Широко використовуються для перетворення дискретних сигналів оптичні датчики. У підрозділах. «Датчики лінійних та кутових переміщень» була розглянута робота оптичного датчика як перетворювача аналогової величини (кутового переміщення), працюючого в дискретному режимі. Але він може використовуватися також і як датчик стану, і як датчик кількості.

У першому випадку об'єкт, стан якого контролюється, має бути забезпечений непрозорим «прапорцем», який при одному стані об'єкту перекриває потік світла від джерела до приймача випромінювання, а при іншому його стані пропускає цей потік. Відповідно в ланцюзі приймача випромінювання або немає струму, або він є. Роль прапорця може виконувати і сам контро-лируемый об'єкт.

У режимі датчика кількості джерело і приймач випромінювання розташовуються так, що кожен черговий об'єкт, що підлягає рахунку, перекриває оптичний канал і черговий сигнал з при-емника випромінювання передається на лічильник.

Оптичні датчики зручні тим, що в них відсутній механічний контакт з контрольованим об'єктом. Вони широко використовуються не лише для виміру і контролю технологічних параметрів, але і для захисту обслуговуючого персоналу від по-падания в небезпечну зону. У такій ситуації сигнал з датчика може не лише попередити персонал про небезпеку, але при необхідності автоматично відключити устаткування щоб уникнути травмування людей.

Комбінація дискретного контактного датчика з первинними механічними перетворювачами дозволяє створювати дискретні датчики аналогових параметрів, названі релейними. Контактний датчик розміщується поряд з механічним перетворенням, вихідний величиной якого являється переміщення (наприклад, пружинним перетворювачем сили, перетворювачем сільфону тиску або біметалічним — температури). Після досягнення заданого значення параметра елемент, що переміщається, замикає контакти датчика, формуючи вихідний сигнал. При зміні параметра у зворотному напрямі контакти знову розмикаються, причому зазвичай є невелика різниця в значеннях параметрів, що відповідають замиканню і розмиканню контактів (гістерезис).

Дата добавления: 2014-11-26