Лекция 2. Состав СПА. Датчики
2.1. Основные понятия и общая классификация
Датчик (сенсор)– средство, преобразующее оказываемое на него воздействие в электрический или информационный сигнал.
Виды воздействия на датчик:
1) непрерывное (аналоговое) например, температура окружающей среды,
2) дискретное - имеющее 2-состояния (например, включатель) (правильнее такое воздействие назвать – бинарным, но первый термин устоялся в ПА и будет использоваться далее);
3) импульсное –последовательно сдвоенное дискретное,повторяющееся через некоторые промежутки времени:
o периодическое,еслипромежутки времени одинаковы;
o непериодическое, еслипромежутки времени различны;
4) гармоническое (синусоидальное), если периодический сигнал монотонен.
Виды датчиков в соответствии с видом воздействия (в скобках указана используемая в ПА информацияо воздействии, содержащаяся в выходных электросигналах):
1) аналоговые (значение уровня сигнала, обычно, постоянного тока или напряжения);
2) дискретные (текущее состояние воздействия: включено - выключено);
3) импульсные (общее число импульсов с определенного момента времени или частота их повторения));
4) гармонические (амплитуда, частота и фаза относительно некоторых опорных значений).
Функциональное реле .- аналоговый датчик предельного значения - комбинация аналоговых по воздействию и дискретных по реакции датчиков при достижении аналоговым воздействием устанавливаемого значения (уставки).
По опыту автора среди датчиков ПА:
1) дискретных и импульсных ~ до 65 … 70%,
2) аналоговых, включая функциональные реле ~ 25…30% и более.
Относительное число остальных видов датчиков незначительно. Поэтому далее в основном рассматриваются только аналоговые и дискретные датчики.
2.2. Аналоговые (измерительные) датчики. Основные понятия и классификации
Физическая величина (ФВ)– количественная характеристика внешнего воздействия, используемая для управления оборудованием(например, температура, давление).
Датчик (сенсор) аналоговый (измерительный)– средство измерений (СИ) преобразующее воздействующую на него ФВ в электрический или информационный сигнал.
Средство измерений (СИ) в автоматике –электротехническое, электронное или электронно - информационное средство предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.
Измерительный сигнал –метрологически нормированныйэлектросигнал постоянного или переменного тока или напряжения, одна их характеристик которого соответствует значению измеряемой ФВ.
Измерительное данное – значение измеряемой ФВ в цифровом виде.
Чувствительный элемент (первичный преобразователь) (ЧЭ) – функциональная часть сенсора, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой ФВ.
Измерительный преобразователь (ИП) – функциональная часть сенсора преобразующая ФВ с нормированными метрологическими характеристиками.
Виды ЧЭ ИП по способу преобразования ФВ:
Физические -использующие известные физические закономерности, включая мостовую схему сравнения, для прямого пропорционального преобразования значения ФВ в уровень электрического сигнала (например, термоэлектрический эффект (Зеебека) в термопарах или мостовые схемы тензодатчиков т.д.)(Рис.2.1).
Косвенные- определяющие значение ФВ по результатам измерений физически связанной с ней вспомогательной ФВ. Содержит генератор и измеритель вспомогательной ФВ, а также тракт ее взаимодействия с искомой ФВ (например, радарный или ультразвуковой уровнемеры). (Рис.2.2).
Рис.2.1.Обобщенная структурная схема датчика с физическим ЧЭ
Рис.2.2.Обобщенная функциональная схема датчика с косвенным преобразованием измеряемой ФВ
Виды ЧЭ по числу преобразовательных элементов:
1) прямого действия -преобразуют ФВ непосредственно в электрический сигнал, используя соответствующее физическое явление (например, термо - тензо - пьезоэлектрический эффекты),
2) составные –содержат несколько преобразователей видов энергии (например, в состав химического сенсора могут входить 2 преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой - преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал).
Виды ЧЭ по использованию электропитания:
1) пассивные– не нуждаются в дополнительном источнике энергии (например, термоэлектронные, пьезоэлектрические, фотодиоды),
2) активные- используют источник внешней энергии (например, термисторные, тепло-, термо- или тензорезистивные).
Естественный сигнал – собственная эдс или изменение подаваемой извне электроэнергии на выходе ЧЭ.
Сигнал возбуждения – ток или напряжение, подаваемые в активные ЧЭ и изменяющие свою величину под воздействием ФВ.
Виды сенсоров по способу преобразования:
1) генераторные –пассивные ЧЭ реагирующие на внешнее воздействие изменением выходной эдс,
2) параметрические– активные ЧЭ, параметры (свойства) которых изменяют (модулируют) сигнал возбуждения.
По приведенной классификации генераторные ЧЭ являются физическими, а параметрические - косвенными с электрическим вспомогательным сигналом (например, в терморезисторе, ФВ – температура рабочей среды, изменяет проводимость ЧЭ и вспомогательный сигнал возбуждения изменяет свои параметры, обеспечивая измерение ФВ).
Виды выходных сигналов аналоговых датчиков (измерительных преобразователей):
1) естественный– на выходе ЧЭ (обычно потенциальный);
2) унифицированный -изменяющийся в определенных пределах, независимо от вида измеряемой ФВ, метода и диапазона ее измерения (обеспечивает унификацию СА);
3) информационный –цифровое значение ФВ предназначенное для коммуникационной передачи или дальнейшего использования (обработки)
Виды унифицированных выходных сигналов по ГСП:
· постоянного тока: 0…5мА, (0)4…20мА, ±5 мА, 0…10В, ± 10В, 0…20В, 0…1000В
· переменного тока: 0…2В, ± 1В, 2…4КГц , 4…8КГц,
В ПА используются также ненормализованные унифицированные сигналы с другими параметрами.
2.3.
| |
Обобщенная структурная схема датчика (Рис.2.3):
 |
Рис.2.3.Обобщенная структурная схема датчика
Общий состав датчика:
1) ЧЭ;
2) измерительные преобразователи (в первичных датчиках – отсутствуют);
3) интерфейсы передачи измерительной информации;
4) интерфейс электропитания (в первичных датчиках – отсутствует);
5) механический интерфейс установки и крепления датчика на объекте измерения;
6) средства защиты ЧЭ от воздействия рабочей среды;
7) средства защиты ИП от воздействия окружающей среды.
Интерфейсы передачи измерительной информации – соединители, могут быть:
1) электрическими;
2) информационными.
Любой из них может отсутствовать. При наличии электрического интерфейса он, обычно, интегрируется с интерфейсом электропитания постоянным током.
Электрические соединители могут быть:
1) клеммные (наиболее распространенные);
2) разъемные.
Тип информационного соединителя - определяется требованиями используемого коммуникационного интерфейса.
Обычным средством защиты ЧЭ от неблагоприятного воздействия рабочей среды является соответствующая его изоляция в виде прочного корпуса или специального покрытия. Выбор формы и размеров корпуса позволяет устанавливать ЧЭ в нужное место оборудования.
Обычным средством защиты ЭИ от внешней среды является прочный корпус с высокой степенью защиты от пыли и влажности, и с высоким уровнем антикоррозионной защиты, за счет соответствующих покрытий.
Механический интерфейс обеспечивает установку датчика на оборудовании в месте, необходимым для измерения, и удобном для текущего обслуживания датчика.
2.4. Датчики измерительные. Классификация по глубине преобразования
Виды измерительных датчиков по глубине преобразования:
1) естественный (первичный),
2) электронный,
3) микропроцессорный (микроконтроллерный):
4) интеллектуальный.
Дополнительные технические возможности датчиков:
1) средства визуализации выходных сигналов (цифровой жидкостно-кристаллический индикатор (ЖКИ), символьный или графический дисплей);
2) средства визуализации состояния работоспособности датчика (светосигнальный элемент),
3) средства контроля и сигнализации процесса (для функциональных реле).