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.

Датчик – це елемент який сприймає вхідний сигнал (вхідну величину, яка контролюється наприклад тиск, температура, струм, напруга та тощо) і перетворює його в величину зручну для передачі, зберігання, використовування у системі керування.

Типи датчиків

Бінарні датчики — це датчики, вихідний сигнал яких може бути тільки у двох альтернативних станах, наприклад увімкнено-вимкнено. До бінарних датчиків належать датчики положення. Як датчики положення використовуються різного роду вимикачі. Одним з видів датчиків положення є так звані кінцеві вимикачі, які призначені для фіксації меж робочого ходу виконавчих пристроїв.

Імпульсні датчики мають вихідний сигнал у вигляді імпульсів. Найбільшого поширення набули імпульсні датчики кутового переміщення вала і положення (позиції) вала. Перетворення кутового переміщення в кількість імпульсів може ґрунтуватися на таких фізичних принципах: відбивання і переривання світлового потоку (фотоелектричні імпульсні датчики), стрибкоподібна зміна взаємної індуктивності (індуктивні імпульсні датчики) або взаємної ємності (ємнісні імпульсні датчики) тощо. Недоліком імпульсних датчиків є великі похибки під час перебою в роботі і пропуск одного або кількох імпульсів.

Аналогові датчики виробляють аналоговий сигнал, пропорційно зміни вхідній величині.

Цифрові датчики перетворюють вхідну фізичну величину (здебільшого це кутове чи лінійне переміщення) у код, тобто в одному пристрої суміщено чутливий елемент і аналого-цифровий перетворювач. Для аналого-цифрового перетворення кутового чи лінійного переміщення використовують ряд паралельних чи концентричних доріжок, кожна з яких поділена на однакові ділянки. Властивості двох сусідніх ділянок кожної доріжки різко відрізняються одна від одної, наприклад: прозора-непрозора, намагнічена-ненамагнічена, провідна-непровідна тощо. На кожну доріжку встановлено чутливий елемент, що фіксує, яка саме ділянка знаходиться у даному положенні. Сукупність вихідних сигналів чутливих елементів є кодом кутового чи лінійного переміщення відносно початкового положення.

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.