Урок 15

Датчики 

Керування об'єктом, зокрема технологічним процесом, мож­ливе лише за умови, що на систему керування поступає інформа­ція про стан об'єкта. Для сприйняття інформації про стан керова­ного об'єкта призначені спеціальні вимірювальні пристрої. Такі вимірювальні пристрої називають первинними вимірювальними перетворювачами, рецепторами, сенсорами. Елемент такого вимірювального пристрою, який безпосередньо взаємодіє з об'єк­том керування і сприймає інформацію, називається чутливим елементом. Вимірювальний перетворювач, який разом з допоміж­ними елементами виготовлений у вигляді окремого виробу і вста­новлений безпосередньо на об'єкті керування, називається дат­чиком.

Характеристики датчиків

Для забезпечення потрібного рівня керування об'єктом необ­хідно, щоб параметри датчиків відповідали заданим вимогам. Характеристики датчиків поділяються на статичні, які характе­ризують датчик у статичному режимі, і динамічні, що характе­ризують його в динамічному режимі. Статичним режимом дат­чика називається режим роботи, коли на вході датчика діє стала фізична величина. Однак стала фізична величина — лише зручна математична модель, абстракція, яка застосовується для теоретич­ного аналізу. В природі всі величини змінюються з тією чи ін­шою швидкістю. З іншого боку, реальні технічні пристрої, зокре­ма датчики, мають інерцію, тобто реагують на вхідну дію не миттєво, а з деяким запізненням. Враховуючи все це, доцільно вважати статичним режимом реального технічного пристрою (датчика) такий режим, коли інерційними властивостями при­строю можна знехтувати порівняно зі швидкістю зміни сигналу на його вході.

Динамічним режимом роботи технічного пристрою вважа­ється режим роботи, в якому динамічні характеристики пристроїв, обумовлені інерційністю, істотно впливають на результат роботи.

Характеристики датчиків у статичному режимі. Найбільш повно властивості датчиків у статичному режимі представляє функ­ція перетворення (статична характеристика).

Функція перетворення — це залежність вихідної фізичної величини датчика у від вхідної х, тобто у = f(x). Для більшості датчиків залежність у = f(x) — нелінійна. Функція перетворення характеризує вимірювальний перетворювач у всьо­му діапазоні зміни вхідної і вихідної величини і є повною статич­ною характеристикою. В окремих випадках достатньо знати тіль­ки окремі параметри вимірювального перетворювача.

Одним із таких важливих параметрів є чутливість (sensivity), яка визначається як відношення вихідної величини вимірюваль­ного перетворювача у до його вхідної величини х:

Крім статичної чутливості, що визначається формулою користуються також динамічною чутливістю

Роздільна здатність датчика (resolution) — це властивість розрізняти два близькі значення вхідної величини.

Лінійність датчика — це ступінь наближення функції пере­творення датчика до прямої лінії. Для аналого-цифрового пере­творення сигналу необхідна пряма пропорційна залежність між вихідним значенням перетворювача і фізичною величиною на вході датчика, тому лінійність датчика є дуже важливим параметром. Якщо функція перетворення датчика є істотно нелінійною, то необхідне додаткове перетворення вихідного сигналу датчика, щоб лінеаризувати канал вимірювання в цілому.

Робочий або динамічний діапазон датчика (operating range) — це діапазон зміни вхідної величини, в якому параметри датчи­ка не виходять за задані межі.

Повторюваність (repeatability) — це властивість датчика зберігати свої параметри від екземпляра до екземпляра.

Відтворюваність (reproducivity) — властивість відтворити задані характеристики датчика під час його виготовлення.

Вхідний і вихідний імпеданс датчика — це вхідний і вихід­ний повні опори. Ці характеристики датчиків дуже важливі для узгодження параметрів датчика з іншими пристроями в каналі вимірювання, а також для оцінки впливу датчика на досліджува­ний процес.

Характеристики датчиків у динамічному режимі. Якість керування багато в чому залежить від того, як швидко система ке­рування в цілому та її складові частини, зокрема датчики, реагу­ють на зміни в об'єкті керування. В деяких випадках несвоєчасна реакція систем автоматичного керування на зміни в об'єкті керу­вання призводить до аварійних ситуацій і виходу з ладу. Динамічні характеристики показують ступінь інертності датчиків.

Динамічні характеристики поділяються на повні, які мають всю повноту інформації про інерційні властивості об'єктів, і част­кові, які характеризують тільки певні властивості об'єктів.

До повних динамічних характеристик належать: імпульсна і перехідна характеристики в часовій області й амплітудно-частот­на, фазочастотна та комплексна характеристики в частотній області.

Перехідною характеристикою датчика п(х) називається ре­акція датчика, тобто його вихідний сигнал, на одноступінчатий сигнал на вході.

 Імпульсною характеристикою датчика g(x) називається ре­акція датчика на вхідний імпульсний сигнал надзвичайно малої тривалості. З математичної точки зору імпульсна харак­теристика є похідною від перехідної характеристики.

Амплітудно-частотною характеристикою датчика нази­вається залежність відношення амплітуд вихідного і вхідного си­нусних сигналів від частоти:

Фазочастотна характеристика датчика — це залежність різниці фаз вихідного і вхідного сигналів від частоти.

Комплексна частотна характеристика — це комплексна функція, модулем якої є амплітудно-частотна, а аргументом — фазочастотна характеристики.

Часткові динамічні характеристики містять інформацію про найбільш важливі властивості датчиків. До часткових динаміч­них характеристик, які можна визначити за перехідною характе­ристикою, належать такі характеристики:

□    час проходження зони нечутливості (dead time);

□    запізнення (delay time), яке визначається відрізком часу від моменту подачі вхідного ступінчастого сигналу до моменту досягнення вихідним сигналом 50 % рівня усталеного зна­чення;

□    тривалість наростання сигналу (rise time), яка визначаєть­ся інтервалом часу від моменту досягнення вихідним сиг­налом рівня 10 % до моменту досягнення 90 % від устале­ного значення;

□       момент досягнення першого максимуму (peak time);

□       тривалість перехідного процесу (settling time);

□       відносне перерегулювання (percentag overshot);

□       статична похибка (steady-state error).

Аналогові датчики

 Переважна більшість об'єктів керування характеризується неперервними фізичними величинами, які поступають на вхід датчиків. Вихідним сигналом аналогового датчика є неперервна фізична величина.

 За видом вхідної величини аналогові датчики поділяються на такі види: датчики руху (кутового і лінійного переміщення, швидкості прискорення), датчики сили, моменту, тиску, датчики наближення (індуктивні, ємнісні, магнітні), датчики температури, датчики витрати, хімічні і біохімічні датчики.

 Датчики руху. Датчики руху широко застосовують для автоматизації технологічних процесів у машинобудуванні, наприклад, для автоматичного керування робочими органами різноманітних верстатів (токарних, фрезерних, шліфувальних тощо) і роботів. Датчики руху ґрунтуються на різноманітних фізичних принципах.

Лазерні датчики. Для вимірювання з високою точністю відстаней застосовуються останнім часом лазерні датчики, принцип дії яких ґрунтується на залежності часу проходження світловим імпульсом від відстані між предметами.

Датчики кутового переміщення. У верстатах, маніпуляторах, робототехнічних комплексах широко застосовується обертальний рух, тому вимірювання кутового переміщення в широкому діапазоні і з високою точністю дуже важливе. Найбільше поширення знайшли перетворювачі кутового переміщення в різницю фаз електричних коливань.

Датчики швидкості обертання. За формою вихідного сигналу датчики швидкості обертання поділяються на аналогові, імпульсні і цифрові. Як аналогові датчики швидкості обертання широкого застосування набули тахогенератори постійного і змінного струму.

Датчики прискорення (акселерометри). Датчики прискорення широко застосовуються в автоматичних системах керування рухомими об'єктами, зокрема літаками, ракетами тощо. Принцип дії акселерометрів ґрунтується на перетворенні прискорення у силу інерції відповідно до другого закону Ньютона F=та. Далі сила перетворюється у переміщення, яке, в свою чергу, перетворюється в електричну величину (напругу, струм тощо).

Датчики сили, моменту, тиску. В цих датчиках сила, момент, тиск перетворюються на деформацію пружного елемента, сприймається датчиками, що називаються тензорезистора.

Датчики наближення. Датчики наближен­ня широко застосовуються для автоматизації процесів у машино­будуванні, наприклад, при підрахунку кількості деталей на кон­веєрі, у робототехнічних комплексах, в охоронних системах. Принцип дії датчиків наближення ґрунтується на зміні властивос­тей чутливого елемента при наближенні до нього певного об'єкта.

В індуктивного датчика наближення котушка, ввімкнена у коливальний контур, створює високочастотне електромагнітне поле, яке наводить у провідному матеріалі об'єкта, що наближа­ється, вихрові струми. Вихрові струми призводять до втрат енер­гії, тому амплітуда коливань у контурі зменшується.

Ємнісні  датчики наближення як чутливий елемент мають конденсаторі увімкнений у коливальний контур. Об'єкт, що на­ближається, змінює ємність конденсатора, отже і частоту влас­них коливань контура.

Магнітні датчики реагують на зміну характеристик магніт­ного поля і можуть базуватися на магніторезистивному  ефекті, ефекті Холла, зміні магнітного опору тощо.

Датчики температури. Температура є важливим технологіч­ним параметром, тому датчики температури широко застосову­ються при автоматизації технологічних процесів у хімічній, текс­тильній, нафтовій та газовій промисловості. Найбільшого поширення набули такі датчики температури, як термоелементи і терморезистори.

Термоелемент — це з'єднані в одній точці провідники з різ­них металів. На межі двох різних металів виникає контактна різ­ниця потенціалів, значення якої залежить від температури. Інко­ли термоелемент називають термопарою.

Датчики витрати. Вимірювання витрати рідин і газів необ­хідно проводити в хімічній, нафтогазовій, харчовій та інших га­лузях промисловості.

Датчики витрати ґрунтуються на різноманітних фізичних принципах. Дросельний датчик витрати ґрунтується на законі Бернуллі для руху рідини: витрата рідини, що рухається у трубо­проводі, стала для будь-якого перерізу, тому тиск рідини зале­жить від площі поперечного перерізу потоку. Різниця тисків рі­дини у звичайному і звуженому місцях трубопроводу буде прямо пропорційною витраті рідини. Щоб створити звуження трубопро­воду, застосовують діафрагми або трубу Вентурі.

Якщо відома площа поперечного перерізу трубопроводу, то витрати рідини можна знайти, знаючи швидкість рідини. Швид­кість рідини в трубопроводі можна визначити за частотою обер­тання маленької турбінки, поміщеної в потоці рідини.

Ультразвукові датчики витрати використовують поширення ультразвуку в двох напрямах: за напрямом руху рідини і проти напряму руху. Якщо напрям руху рідини й ультразвуку збігається, то швидкість ультразвуку в рухомій рідині дорівнює сумі швидкостей ультразвуку в нерухомій рідині і швидкості самої рідини, а якщо напрямки руху протилежні — то різниці цих швидкостей. Вимірюючи швидкість ультразвуку в цих двох протилежних напрямках, можна визначити швидкість руху рідини, а відтак, знаючи площу поперечного перерізу трубопроводу, і витрату рідини.

У магнітних датчиках витрати вихідною величиною є електрорушійна сила, що створюється в електропровідній рідині під час руху її в магнітному полі. Значення наведеної електрорушій­ної сили визначається швидкістю руху іонів електропровідної рі­дини, отже це значення прямо пропорційне витраті рідини.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1.   За якої умови можливе керування об’єктом?

2.   Які пристрої призначені для сприйняття інформації про стан керованого об’єкта?

3.   Що називається чутливим елементом вимірювального пристрою?

4.   Що називається датчиком?

5.   Які існують характеристики датчиків?

6.   Що таке динамічний і статичний режим роботи датчика?

7.   Які характеристики має датчик у динамічному режимі?

8.   Які характеристики має датчик у статичному режимі?

9.   Чим характерні аналогові датчики?

10.    Де застосовують датчики руху?

11.    Коли застосовують лазерні датчики?

12.     Який принцип дії датчиків прискорення?