У вітчизняному приладобудуванні питання уніфікації та стандартизації вимірювальних перетворювачів вирішуються в рамках Державної системи промислових приладів і засобів автоматизації (ГСП). Для того щоб створювати складні інформаційні системи (керуючі, вимірювальні), необхідно в першу чергу забезпечити інформаційну сумісність технічних засобів. З цією метою в рамках ГСП спочатку були уніфіковані, а потім і стандартизовані вихідні сигнали ВП.
По виду вихідних сигналів розрізняють вимірювальні перетворювачі з природним і уніфікованим вихідними сигналами. Перші - являють собою пристрої, в яких здійснюється первинне (зазвичай одноразове) перетворення вимірюваної фізичної величини. Природне формування сигналу тут забезпечується шляхом перетворення і конструкцією ВП. Такі перетворювачі найчастіше застосовують
в пристроях прямого регулювання або при централізованому контролі порівняно простих об'єктів. У ГСП прийняті десять видів природних вихідних сигналів (рис. 3.3).
При створенні щодо складних систем з використанням ЕОМ і необхідності передачі сигналів на великі відстані застосовують перетворювачі природних сигналів в уніфіковані. Для цих цілей розробляються спеціальні нормують перетворювачі, параметри вихідних сигналів яких наведені на рис. 3.3.
1. Що являють собою вимірювальний перетворювач, первинний перетворювач і датчик?
2. Які види енергії використовуються в перетворювачах?
3. Перелічіть основні вимоги, що пред'являються до перетворювачів.
4. За якими ознаками можна класифікувати вимірювальні перетворювачі?
5. Які види статичних характеристик характерні для вимірювальних перетворювачів?
6. Що таке основна і додаткова похибки датчика?
7. Що таке відносна приведена похибка і клас точності датчика?
8. Які структурна схема, статична характеристика і похибка прямого (одноразового) перетворення?
9. Які схема послідовного прямого перетворення, його статична характеристика і похибка?
10. Що являє собою і в яких випадках застосовується диференціальна схема перетворення?
11. Як побудована і які має переваги схема перетворення зі зворотним зв'язком?
ВИМІРЮВАЛЬНІ ЕЛЕМЕНТИ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ (ДАТЧИКИ)
Функцією вимірювального елемента є вимір регульованою або будь-якої іншої величини, що дає необхідну для управління інформацію. Одночасно вимірювальний елемент здійснює перетворення вимірюваної величини в величину іншого виду, зручну для передачі сигналів в даній автоматичній системі. У більшості систем автоматичного управління для передачі і обробки сигналів, що несуть інформацію про керований процес, використовуються електричні величини, т. Е. Більшість датчиків автоматично перетворять вимірювані величини будь-якого фізичного природи (швидкість, тиск, переміщення та ін.) В електричні.
Вимірюється величина є вхідною величиною датчика.
Вихідна електрична величина може являти собою один з параметрів електричного кола (К, I, С) або ЕРС.
Датчики, що перетворюють вхідну величину в ЕРС, називаються генераторними, а датчики, що перетворюють вхідну величину в зміна параметра електричного кола, - параметричними.
За характером подання вихідної величини датчики поділяються на вимірювальні і релейні. Вимірювальні датчики мають лінійну статичну характеристику і видають значення вимірюваної величини в безперервній (аналогової) формі. Релейні датчики мають релейний характеристику і видають дискретний за рівнем сигнал, відповідний деякого граничного значення вимірюваної величини.
Потенциометрический датчик (рис. 4.1), що є датчиком лінійних або кутових переміщень, являє собою реостат з рухомим контактом - щіткою, включеної за схемою
потенціометра. Переміщення рухомого контакту такого датчика перетворюється в напругу, що знімається зі щітки та однієї клеми обмотки потенціометра (див. Рис. 4.1, а).
Характеристика потенціометра лінійна, якщо опір навантаження значно більше його опору.
Динамічні властивості потенціометра також залежать від його навантаження; при активному навантаженні він практично безінерційна, а при ємнісний і індуктивного навантаженнях зміна його вихідного сигналу буде відставати від зміни вхідного сигналу, так як динамічні процеси в електричних ланцюгах з реактивним опором протікають не миттєво.
Чутливість потенціометричних датчиків при вимірі переміщень становить 3. 5 В / мм.
Конструкції потенціометра різноманітні. Найбільш поширений потенціометр з каркасом циліндричної форми (див. Рис. 4.1, б), яка забезпечує невеликі його габарити і дозволяє знизити зусилля, необхідні для переміщення щітки, а отже, зменшити зону нечутливості, що дуже важливо при вимірюванні малих переміщень.
Каркаси потенціометрів роблять із пластмас, кераміки, оксидованого алюмінію, а обмотки - з сплавів з високим питомим опором (константана, сплавів платини, золота). Для намотування використовується дріт малого діаметра (до сотих часток міліметра), тому що чим менше діаметр дроту, тим менше ступенчатость статичної характеристики (див. Рис. 4.1, в).
Щітки потенціометрів виготовляють із сплавів срібла, платини, іридію, паладію і ін.
Застосовуються і потенціометри з каркасами іншої форми, наприклад, якщо треба зробити виміри великого лінійного переміщення з великою точністю, - прямолінійні, великої довжини.
Переваги потенціометричного датчика - простота конструкції і схеми, малі габаритні розміри і маса; недолік - наявність ковзного контакту, який, по-перше, знижує надійність, а по-друге, обмежує термін його експлуатації, так як з часом відбувається стирання дроту і характеристика потенціометра змінюється.
Принцип дії індуктивного датчика складається в перетворенні переміщення рухомої частини його муздрамтеатру в зміна індуктивності котушок. Застосовується такий датчик головним чином для точних вимірювань малих переміщень.
Схеми конструкцій простого і диференціального індуктивних датчиків представлені на рис. 4.2, а, б.
Вимірюється переміщення предмета 1 викликає переміщення рухомої частини муздрамтеатру 2, зміна повітряного зазору # 948; і в кінцевому рахунку зміна індуктивності в обмотці 3. (В диференціальному датчику змінюються індуктівностіI обох обмоток 3.) Обмотки включені в бруківку схему змінного струму, тому вихідний сигнал датчика - розбаланс моста пропорційний вхідному сигналу - переміщенню.
Статична характеристика датчика представлена на рис. 4.2, в.
Чутливість індуктивних датчиків може досягати 10 В / мм; лінійна область характеристики невелика. Індуктивним датчиком можна вимірювати переміщення близько 10 -7 м.
Мал. 4.2. Схеми конструкцій простого (а) і диференціального (б) індуктивних датчиків і їх статична характеристика (в): 1 - переміщається предмет; 2 - рухома частина магнітопроводу; 3 - обмотки; 4 - нерухомий магнітопровід
Дія індукційного датчика засноване на зміні індуктивних зв'язків між його обмотками при зміщенні рухомих елементів муздрамтеатру. Існує багато різновидів таких датчиків, але найбільш поширений диференційний трансформаторний датчик (рис. 4.3). На полюсних виступах нерухомої частини муздрамтеатру 1 такого датчика розташовані 1) 0мотка збудження 3 і сигнальні обмотки 2 і 4, з яких м і поневіряється вихідна напруга. Вимірюється переміщення впливає на рухому частину муздрамтеатру 5.
Мал. 4.3. Схема конструкції (а) і статична характеристика (б) індукційного трансформаторного датчика:
нерухома частина муздрамтеатру; 2, 4 - сигнальні обмотки; 3 - обмотка збудження; 5 - рухома частина магнітопроводу
Коли муздрамтеатр знаходиться в середньому положенні, магнітний потік, створюваний котушкою 3, наводить в обмотках 2 і 4 рівні ЕРС; оскільки ці котушки з'єднані зустрічно, на (1,1 ході датчика сигналу в цьому випадку немає. При зміщенні рухомої частини муздрамтеатру ЕРС в одній з сигнальних котушок збільшується, а в іншій - зменшується, і на виході з'являється сигнал, рівний різниці цих ЕРС.
Принцип дії ємнісного датчика складається в перетворенні переміщення в зміну ємності С.
Ємнісні датчики бувають прості і диференціальні.
На рис. 4.4 представлені схеми конструкцій деяких ємнісних датчиків. Ємність в таких датчиках може змінюватися в результаті зміни відстані між пластинами (див. Рис. 4.4, а, б), площі взаємного перекриття пластин (див. Рис. 4.4, в), а також і за рахунок зміни діелектричних властивостей ізолюючого проміжку.
Мал. 4.4. Схеми конструкцій ємнісних датчиків:
а, б - відповідно простого і диференціального з змінною відстанню між пластинами; в - зі змінною площею взаімоперекритія пластин
Ємнісні датчики харчуються змінним струмом високої частоти. Вони дуже чутливі, а отже, у великій мірі схильні до впливу різних перешкод (наведень, дії зовнішніх ємностей, відхилень напруги живлення і ін.), Тому застосовуються переважно як датчики релейного типу.
Дія фотоелектричного датчика засноване на перетворенні зміни світлового потоку в зміну електричних параметрів фотоелемента.
Фотоелементи - це особливий вид напівпровідників або електронних приладів (газонаповнені елементи).
Для вимірювання переміщень зазвичай використовуються фоторезистори,
змінюють свій внутрішній опір при зміні освітлення, і фотодіоди, які при зміні освітлення змінюють свої вентильні властивості.
Схема фотоелектричного датчика представлена на рис. 4.5.
Працюють фотоелектричні датчики наступним чином. Вимірюється переміщення викликає перекриття світлового потоку, що висвітлює фотоелемент. Зміна електричних параметрів сприймається електричної схемою, зазвичай підсилювачем.
Ці датчики широко застосовуються в промисловості не тільки для вимірювання переміщень, а й для контролю чистоти поверхні, наявності дефектів поверхні, рахунки деталей на конвеєрах і т. П.
Існує група фотоелектричних імпульсних датчиків, які працюють в комплексі з рахунковими пристроями. Такий комплекс дозволяє вимірювати великі переміщення (як кутові, так і лінійні) з високою точністю. Висока (в порівнянні з іншими видами датчиків) точність досягається за рахунок збільшення масштабу вимірюваного переміщення при його обліку.
Прикладом може служити муаровий растровий датчик, що представляє собою комбінацію двох растрів - рухомого і нерухомого (рис. 4.6). Растри - це решітки з прозорих і непрозорих смуг, форма яких може бути різною. На рис. 4.6, а, б представлені радіальні центральний і нецентральних растри, пару яких застосовується при вимірюванні кутових переміщень, а на рис. 4.6, в, г - растрові решітки, пару яких використовується при вимірюванні лінійних переміщень.
Растрове сполучення встановлюється на шляху світлового потоку таким чином, щоб він проходив перпендикулярно до обох растрів.
При переміщенні рухомого растра щодо нерухомого утворюються комбінаційні муарові смуги, що рухаються перпендикулярно до вимірюваного переміщення. Ці смуги перетинають світловий потік, модулюють його, і фотодатчик формує імпульси. Вихідний сигнал вимірювальної схеми має цифрову форму - це число імпульсів, врахованих лічильником.
Електроконтактні датчики переміщення мають релейний характеристику і застосовуються в основному для контролю розмірів деталей.
Електроконтактні датчики бувають однопредельние (з одним контактом) і двотижневі (з двома контактами). Однопредельние датчики застосовуються для контролю розміру деталі щодо допуску одного знака. Двотижневі датчики дозволяють контролювати розмір деталі по допускам «+» і «-». Електроконтактні датчики вимірюють фактичні розміри деталей, а тільки розкид їх значень. Наприклад, при контролі діаметра циліндричної деталі сприймає стрижень (вимірювальний наконечник) зміщується щодо корпусу датчика, сприймаючи різниця між максимальним і мінімальним діаметрами.
На рис. 4.7 представлена схема конструкції двотижневого електроконтактного датчика.
Мал. 4.7. Схема конструкції двотижневого електроконтактного датчика:
1 - сприймає стрижень; 2 - напрямна гільза; 3 - двуплечний важіль; 4 - корпус; 5, 7 - Настроювальна гвинти; 6, 8, 9 - контакти
Датчики, призначені для точних вимірювань (з похибкою не більше 0,01 мм), розраховані на дуже малий струм в ланцюзі контактів (порядку десятих часток міліампера), тому їх включають з підсилювальними електронними схемами. Датчики для більш грубих вимірів можуть включатися безпосередньо в ланцюзі обмоток реле.
Подорожній вимикач (рис. 4.8) - це граничний датчик переміщення. Він застосовується в електричних схемах промислової автоматики для подачі команд про початок переміщення будь-якого рухомого вузла або проході певної ділянки шляху. Подорожній вимикач представляє собою систему з кількох
Мал. 4.8. Схема конструкції (а) і статичні характеристики (б) колійного вимикача:
сприймає стрижень; 2, 4 - нерухомі контакти; 3 - рухливий контакт; 5 - корпус
пар нерухомих і рухомих контактів, які безпосередньо пов'язані з переміщається вузлом.
Точність спрацьовування такого датчика по відношенню до переміщення невелика - від 10 до 2 мм в залежності від типу вимикача.