Первичные преобразователи (датчики)

Лекция 3 4 часа

Контактные резистивные преобразователи

Контактными называются измерительные преобразователи, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляю­щих электрической цепью. При этом естественной входной ве­личиной является пространственное перемещение, выходной величиной — ток в цепи, а характеристика имеет релейный ха­рактер.

Так как сопротивление контактного датчика меняется скачком и может принимать одно из двух значений, этот датчик является дискретным. Так как под действием входной величины меняется сопротивление датчика, он является параметрическим.

Простейший однопредельный контактный преобразователь (рис. 3.2, а) имеет одну пару контактов 1 и 2, замыкание которых произойдет при перемещении вверх штока 5. При этом активное сопротивление между контактами упадет от бесконечности до очень малого значения контактного сопротивления. Конструктивно шток устанавливается в направляющие 4 и прижимается пружиной 6 к контролируемому объекту 3. Погрешность срабатывания контакт­ных преобразователей находится в пределах 1...2 мкм. Попытки еще уменьшить погрешность успеха не имели.

Во избежание образования дуги или искры, разрушающих кон­такты, мощность тока в цепи не должна превышать 100 мВт. Это значит, что если звено цепи — приемник сигнала от датчика — потребляет мощность 50... 100 мВт, то можно снимать сигнал непо­средственно с датчика. В противном случае следует использовать усилитель на реле, транзисторах или тиристорах. Датчики этого типа широко применяются как конечные выключатели, датчики контроля попадания размера в поле допуска и т.д.

Электромагнитные первичные преобразователи

Электромагнитные первичные преобразователи предназначе­ны для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Возможно изменение магнитного сопротивления магнитной цепи датчика за счет перемещения сердечника или изменения воздушного за­зора в магнитной цепи. В том и другом случае меняются индук­тивность и реактивное сопротивление индуктивного датчика или взаимоиндуктивность и напряжение в выходной обмотке транс­форматорного датчика.

Индуктивный преобразователь имеет одну катушку перемен­ной индуктивности L. При приложении к преобразователю переменного напряжения с амплитудой Uи частотой ω в нем возникнет ток с амплитудой I=U/Z, где Z = ωL — реактивное сопротивление катушки.

Изменение индуктивности катушки L в результате перемеще­ния или поворота элементов магнитопровода при перемещении щупа датчика при постоянном напряжении питания приводит к изменению тока в измерительной цепи, которое и контролирует­ся. Так как выходной величиной индуктивных датчиков является непрерывно меняющаяся величина реактивного сопротивления, эти датчики обычно относятся к параметрическим аналоговым.

На рис. З.4, а изображен преобразователь с переменным воз­душным зазором d. Рабочее перемещение подвижного сердечника составляет 0,01...10 мм.

На рис. 3.4, б показан преобразователь с переменной площадью воздушного зазора. Рабочее перемещение в этом случае составляет 5…20 мм.

На рис. 3.4, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью — катушка с перемещающимся сердечником.

Рабочее перемещение таких датчи­ков составляет 10... 100 мм.

Оптические преобразователя

Оптический преобразователь входной величины X₁ или Х₂ (рис. 3.9) в выходную величину I содержит источник излуче­ния, характеризующийся потоком Ф₁, некоторый оптический канал и приемник излучения, воспринимающий поток Ф₂ на выходе канала и преобразующий его в выходной электрический сигнал I. Воздействие входной величины Х на поток излучения Ф₂ может осуществляться двумя путями.

В первом случае измеряемая величина X воздействует непо­средственно на источник и изменяет тот или иной параметр излу­чения. Например, горящая сигнальная лампочка или светодиод свидетельствуют о включенном состоянии прибора. Во втором слу­чае измеряемая величина X воздействует на оптический канал, меняя непосредственно поток Ф₂. Например, по исчезновению потока Ф₂ при неизменном потоке Ф) можно судить о том, прошел человек через турникет метро или нет.

Рис. 3.9. Оптический преобразователь

Источники оптического излучения бывают тепловыми и лю­минесцентными. В тепловых источниках в результате нагрева ве­щества часть тепловой энергии переводит атомы в возбужденное состояние, когда электроны переходят на внешние орбиты с боль­шей энергией. Возбужденное состояние является неустойчивым, так что через некоторое время электрон излучает избыток энер­гии ввиде кванта света (фотона), переходя при этом на одну из внутренних орбит.

Тепловым источником является лампа накаливания, состоя­щая из цоколя с электродами, стеклянного баллона, наполненного инертным газом, и тела накала. Если лампа служит источником излучения оптических преобразователей, то повышен­ное требования предъявляются к качеству стекла баллонов, к расположению и форме тела накала, которое должно быть малым по величине и равномерным по яркости. Например, спи­раль (тело накала) свивается таким образом, чтобы ее витки накладывались друг на друга и казались сплошным светящимся кругом.

В люминесцентных источниках энергия возбуждения берется ато­мами из нетепловых источников. При электролюминесценции элек­троны, разогнанные до большой скорости в электрическом поле, сталкиваются с атомами газа и возбуждают их. При катодолюминесценции разогнанные электроны возбуждают атомы твердого тела (люминесцентного слоя электронно-лучевых трубок). При фотолюминесценции атомы твердого тела поглощают кванты света, переходя в возбужденное состояние, после чего излучают кван­ты, но уже меньшей энергии и большей длины волны.

К люминесцентным источникам относятся газоразрядные лам­пы, светодиоды, оптические квантовые генераторы (лазеры). По­лупроводниковый светодиод — удобный миниатюрный источник света определенной частоты, яркость которого зависит от прохо­дящего через него тока. В качестве полупроводника используются арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния, работающие при температурах не выше 70 °С.

Лазер является когерентным излучателем, т.е. все излучаемые кванты имеют одинаковую длину волны, фазу и поляризацию. Ла­зеры способны излучать остронаправленные интенсивные пучки света заданной длины волны. Это в свою очередь технически уп­рощает прием излучения (при параллельном пучке размер источ­ника совпадает с размером приемника), что позволяет передавать излучение на большие расстояния с малыми потерями.

На практике применяют в основном газовые (гелиево-неоновая смесь), твердоттельные (рубин) и полупроводниковые (арсе­нид галлия, кремний с примесями индия, фосфид галлия) лазеры.

Для газовых лазеров угол расходимости составляет 10', для твер­дотельных — 20... 30', для полупроводниковых — 6... 10°.

Наиболее широко распространены полупроводниковые лазе­ры в силу их сравнительной простоты и высокого КПД. Приемни­ки излучения можно разделить на две группы: тепловые и фото­электрические.

К тепловым приемникам относятся термоэлементы (рис. 3.19), в которых энергия излучения преобразуется в тепловую энергию на металлическом диске 2, покрытом слоем черни (черной краски) 2, и оценивается термопарами 3 по температуре диска. Энергия излучения, поглощенная диском, рассеивается излучением, кон­вективным теплообменом с газом окружающей среды и тепло­проводностью через термопары. Для уменьшения конвекции и по­вышения чувствительности прибора преобразователь помешают в вакуум (кварцевый или стеклянный баллон с откачанным возду­хом). При снижении давления в баллоне до 10~⁶ бар (нормальное атмосферное давление составляет 1 бар) чувствительность возрастает более чем в 10 раз. Следует отметить, что приемник поглощает обычно энергию всех падаю­щих квантов, независимо от их длины вол­ны, т.е. выходная величина пропорцио­нальна интегральной, суммарной мощно­сти излучения, падающего на приемную площадку.

Фотоэлектрические приемники (фотоэле­менты) используют явление фотоэффек­та: энергия квантов потока света поглоща­ется электронами твердого тела, в резуль­тате чего они покидают свои атомы. В элек­трическом поле освободившиеся электро­ны движутся упорядоченно, т. е. возникает электрический ток. Чем больше квантов нужной энергии упадет на поверхность эмиттера, тем больше электронов покинет атомы и тем больше будет фототок.

Фотоэлементы обычно способны поглощать кванты в узком диапазоне длин волн, и их выходная величина определяется мощ­ностью излучения на конкретной длине волны, характерной для данного фотоэлемента. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 3.11) (вакуумные и газозаполненные фотоэлементы и фото­умножители) используют эффект выбивания квантами света элек­тронов из катода 1, которые под действием электростатического поля устремляются к аноду 2, создавая фототок I. Катоды изготав­ливаются из щелочных металлов: лития, натрия, цезия, калия, рубидия. Напряжение между электродами составляет 70...300 В. Превращение светового потока в фототок практически безынер­ционно. Однако реактивное сопротивление цепей соединения снижает быстродействие при­бора до обычного для электро­преобразователей.

При высокой яркости изме­ряемого потока происходит эф­фект усталости светочувстви­тельного слоя вследствие не­хватки электронов в атомах на поверхности, способных поки­нуть тело при поглощении фо­тонов. Если яркость света была не очень велика, то световая чувствительность восстанавли­вается после пребывания фото­элемента в темноте.

В вакуумных фотоэлементах электроды помещены в вакуум для исключения влияния газа на движение выбитых фотонами электронов. Это делает линейной характеристику прибора (за­висимость фототока от яркости излучения).

Рис. 3.10. Тепловой при­емник света:

/ — слой черни; 2 — диск; 3 — термопара

Рис. 3.11. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом:

I — катод; 2 — анод

В газонаполненных фотоэлементах электроны, выбитые фото­нами, ускоряются электрическим полем и, сталкиваясь с молеку­лами газа, ионизируют их, увеличивая тем самым число носите­лей зарядов и фототок в несколько раз (до 7) по сравнению с вакуумным фотоэлементом. Однако характеристика таких фото­элементов нелинейна. Кроме того, эти фотоэлементы инерцион­ны: фототок стабилизируется только через некоторое время после изменения интенсивности светового потока по мере стабилиза­ции газового разряда.

К недостаткам этих фотодатчиков следует отнести:

- высокое напряжение питания (сотни и тысячи вольт);

- низкую механическую прочность (хрупкость стеклянного бал-она. непрочность электродов);

- старение и утомляемость фотоэлементов.

В целом следует отметить универсальность фотодатчиков, отсут­ствие обратного воздействия датчика на контролируемый объект вледствие бесконтактности.

Недостатками оптических датчиков является чувствительность к ударам и вибрациям, плохая работа в условиях таких оптических помех, как запыленность, загазован­ность, высокая влажность, помехи от осветительных приборов общего освещения. В устройствах автоматики фотодатчики используются в основном как дискрет­ные двухуровневые (есть/нет потока света), например, в уст­ройствах считывания перфолен­ты (есть/нет отверстия), фото­реле, когда при попадании све­та на фотодатчик возникает ток, замыкающий реле (турникеты метро).

Рис. 3.12. Световод:

1 — стеклянная нить; 2 — вещество;3 — оболочка

С развитием полупроводни­ковой техники все шире при­меняются в качестве источника и приемника излучения свето- и фотодиоды, способы включения которых в измерительные цепи детально разработаны, а в каче­стве канала передачи — волоконно-оптический световод (рис. 3.12). в котором гибкая тонкая (от нескольких микрон до нескольких миллиметров) прозрачная стеклянная нить 1 помещена в оболоч­ку из оптически менее плотного вещества 2 и в защитную оболоч­ку 3. Световой пучок подается на один торец световода.

Так как оптическая плотность световода выше плотности обо­лочки, а угол падения пучка на боковую поверхность световода близок к 90°, то происходит явление полного отражения света от поверхности. Свет распространяется вдоль искривленного волок­на, что позволяет проводить оптические измерения в труднодо­ступных местах и на больших расстояниях.

Фотоэлектрические датчики получили очень широкое распро­странение в системах автоматики. Наиболее часто они использу­ются в схемах релейного действия, где выдают сигнал «освещено» или «затемнено».

Фотореле состоит из источника и приемника излучения. Пос­ледний включен в цепь обмотки электромагнитного реле (напря­мую или через усилитель). При попадании светового потока на приемник в нем возникает ток, приводящий к срабатыванию элек­тромагнитного реле, управляющего каким-либо устройством. Та­кие фотореле используются для чтения перфоленты, на которой информация закодирована наличием или отсутствием отверстий в определенных местах. Перфолента протягивается сквозь ряд фо­тореле, и при наличии отверстий в ней в ЭВМ пойдут импульсы, соответствующие дорожкам перфоленты с отверстиями. Фотореле применяют для фиксации достижения предметом заданного по­ложения.

Например, в автоматических устройствах защиты об­служивающего персонала от производственных травм фотодатчик при попадании руки рабочего в опасную зону выдает предупреди­тельный сигнал или выключает механизм. Линейку фотодиодов используют для определения размера детали: по числу диодов, затененных деталью, и по расстоянию между ними рассчитывается размер. Проецируя увеличенный контур детали на линейку, можно значительно повысить точность определения размера. Су­ществуют устройства определения шероховатости поверхности по интенсивности отраженного от поверхности светового потока.

Фотодатчики используются для контроля за перемещением суп­порта металлорежущих станков (рис. 3.13). Источник света направ­ляет полосу света на прозрачный диск, на который нанесена ко­довая шкала с прозрачными и непрозрачными участками. За дис­ком расположена линейка фотодиодов. Каждому кодовому кольцу диска соответствует один двоичный разряд числа, кодирующего угол поворота. Сигналы с фотоэлементов попадают на логичес­кую схему контроля поворота диска (выходом является код угла поворота, т.е. это абсолютный датчик положения). Инкрементный датчик положения построен аналогично, но имеет всего один фотодатчик и подвижную прозрачную линейку или диск с нане­сенными на них непрозрачными штрихами (до тысячи штрихов на 1 мм). При перемещении линейки или повороте диска фото­элемент выдает импульсы, а логическая схема их считает.

В рассмотренных примерах использовался дискретный фото­датчик. Однако существуют и аналоговые датчики. Например, для измерения температур более 1500 К широко применяются яркостные пирометры, в которых температура или цвет источника света кодируется током через фотоэлемент.

Контрольные вопросы

1. Каково главное преимущество электрических элементов?

2. Каков главный недостаток пневматических элементов?

3. Почему измеряемый параметр, как правило, сразу преобразуют в Электрический сигнал?

4. Чем отличается датчик от измерительного прибора?

5. В чем отличие требований к конструкции датчика и указателя?

6. В чем отличие генераторного и параметрического измерительных преобразователей?

7. Почему элементы автоматики следует проектировать с соблюдением стандарта на диапазоны входного и выходного сигналов?

8. Какова область применения цифровых первичных преобразователей?

9. Что является входным и выходным параметром индукционного дат­чика перемещения?

10. В каких случаях удобнее использовать абсолютную, а в каких — относительную погрешность?

11. Чем отличается систематическая погрешность от случайной?

12. Какой вид погрешности обработки свидетельствует об износе станка?!

13. Какой вид имеет характеристика контактного преобразователя, реостата?!

14. Почему для электромагнитных и емкостных датчиков используются, измерительные цепи переменного тока?

15. Назовите главный недостаток емкостных датчиков по сравнению c электромагнитными.

16. Перечислите основные источники погрешности при использовании тензодатчика.

17. Каков принцип действия термопары?

18. Каков принцип действия терморезистора?

Лекция 3 4 часа

Первичные преобразователи (датчики)

Важнейшими элементами систем управления являются датчи­ки, предназначенные для получения количественной информа­ции о подлежащих измерению механических, тепловых, оптических и других величинах.

Так как системы управления строятся в основном на основе I электронных регуляторов, то при измерении любых величин чаще ¹ других применяются электрическиесредства измерений, облада­ющие следующими преимуществами:

простотой изменения чувствительности в широком диапазоне значений измеряемой величины за счет использования усилите­лей электрических сигналов;

малой инерционностью электрической аппаратуры, позволя­ющей использовать одни и те же средства измерений для процес­сов, протекающих во времени в широком диапазоне скоростей;

практически мгновенной (со скоростью света) передачей сигна­ла на значительные расстояния, упрощающей замеры в недоступ­ных местах и позволяющей одновременный замер большого количе­ства величин разной физической природы на больших расстояниях.

Датчики обычно классифицируются и получают названия по измеряемой ими величине и параметру, в который преобразуются сигналы чувствительного элемента, например индуктивный дат­чик перемещения преобразует измеряемое перемещение объекта в изменение индуктивности и реактивного сопротивления дросселя. Измерение есть операция сравнения измеряемой физической ве­личины с другой величиной того же рода, принятой за единицу.

Измерительное преобразование представляет собой преобра­зование значения одной физической величины в значение дру­гой физической величины, функционально с ней связанной. На­пример, в термометре температура преображается в длину стол­бика ртути или спирта, при этом функциональной связью меж­ду этими величинами является закон теплового расширения жид­костей.

Многие неэлектрические величины удобно предварительно преобразовать в механическое перемещение, после чего с по­мощью датчика перемещения получить электрический сигнал. Например, давление газа или жидкости можно определить за­мером перемещения упругой мембраны. Поэтому в автоматике широкое распространение получили датчики перемещения.

Измерительный прибор (рис. 3.1, а), как правило, состоит из Первичного преобразователя (датчика Д), указателя или регист­ратора (УК), представляющего измеряемую величину в удобной для использования форме, _ч измерительного устройства (ИУ), осуществляющего пре­образование выходного сиг­нала датчика во входной сиг­нал указателя. Например, при измерении температуры мож­но в качестве датчика исполь­зовать терморезистор (резис­тор, меняющий свое сопро­тивление при изменении тем­пературы), в качестве указа­теля можно взять амперметр с соответствующей градуи­ровкой; измерительным уст­ройством здесь будет электрическая схема контроля изменения сопротивления терморезис­тора, включающая измерительный мост М и усилитель УС. Та­ким образом, измеряемая величина подвергается в измеритель­ном приборе серии преобразований.

Условия на реальном объекте измерения обычно значительно более жесткие, чем в месте регистрации (повышенная температу­ра, вибрации, влажность, пыль, недостаток места). Поэтому в точке, в которой необходимо провести измерение, размещается минимум преобразователей, достаточный для фиксации значе­ния измеряемой величины и преобразования его в форму, при­годную для передачи из зоны объекта в более благоприятную зону (хотя бы на расстояние нескольких метров), где размещается из­мерительное устройство.

Датчиком измерительного прибора называется совокупность преобразователей, размещаемых непосредственно на объекте из­мерения и удовлетворяющих, как правило, более жестким экс­плуатационным требованиям. Указатель, регистратор, устройство отображения информации должны быть размещены там, где ис­пользуются результаты измерения, например на пульте оператора При создании указателей основным требованием является удоб­ство использования результатов замеров.

Раздельное конструктивное исполнение датчиков, измеритель­ных устройств и указателей в совокупности со следованием стан­дартам соответствующих входных и выходных величин этих эле­ментов обеспечивает гибкость в применении, простой ремонт, универсальность и взаимозаменяемость. Обычно датчик состоит из двух преобразователей: предварительного, воспринимающего измеряемую величину (шуп, рычаг) без перевода ее в другую фор­му, и основного, предназначенного для преобразования измеряе­мой величины в электрический сигнал.

Рис. 3.1. Структура измерительного прибора