Измерительные устройства предназначены для измерения управляемой величины и возмущений, действующих на автоматическую систему в процессе ее работы.
Так как физическая природа измеряемых величин достаточно разнообразна, то наряду с измерением измерительные устройства автоматических систем решают и задачу преобразования измеренной величины в величину, удобную для использования в последующих элементах системы (линейное или угловое перемещение, напряжение).
В автоматических системах более предпочтителен с точки зрения удобства передачи и преобразования электрический сигнал.
Измерительные устройства, решающие задачу измерения физической величины и ее преобразования в электрический сигнал, объединяют общим понятием - датчики автоматических систем. Очевидно, понятие датчика автоматической системы является более узким по сравнению с понятием измерительного элемента.
Измерительные устройства находятся в непосредственном контакте с измеряемой физической величиной, условия их работы могут существенно отличаться в худшую сторону от условий работы других элементов систем в смысле механических, химических, температурных и других воздействий. Этим определяются достаточно строгие требования к характеристикам, параметрам и конструкции измерительных элементов.
Измерительные устройства должны иметь однозначную и линейную статическую характеристику, быть надежными в работе, обладать высокой разрешающей способностью (наименьшим значением измеряемой величины, вызывающим изменение выходной величины), максимальной мощностью выходного сигнала, возможно большей чувствительностью (отношением величин выходного и входного сигналов).
Основные виды измерительных устройств автоматических систем
Потенциометрические датчики
Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейного или углового перемещения в электрический сигнал постоянного или переменного тока.
Каркасы потенциометров могут иметь различную форму: пластинчатую, дуговую, кольцевую.
Для обмоток прецизионных датчиков используется провод диаметром от 0,02 до 0,08 мм, изготовленный из сплавов на основе благородных металлов.
Применяются также непроволочные (пленочные) потенциометры. Функцию обмотки в них выполняет пленка из благородного металла - родия, нанесенная на стекло.
В автоматических системах потенциометрический датчик работает на нагрузку, которой служит входное сопротивление последующего элемента (усилитель, двигатель).
Так как выходное напряжение датчика пропорционально величине сопротивления между средней точкой и движком потенциометра, то для нагруженного датчика оно меньше выходного напряжения холостого хода.
У датчиков на переменном токе величина перемещения определяет величину амплитуды, а знак перемещения - фазу выходного напряжения, которая меняется на 180 градусов при изменении знака угла на противоположный.
Преимуществами потенциометрических датчиков являются:
- простой и надежный принцип действия .датчиков;
- возможность подключения датчиков к автоматическим потенциометрам, автоматическим мостам и другим регистрирующим и указывающим приборам;
- возможность использования датчиков в схемах автоматического регулирования и контроля (для этой цели особенно применим разностный метод включения);
- возможность быстрой и удобной установки датчиков на действующем оборудовании;
- достаточно высокая точность измерения;
- возможность вести одновременно регистрацию и визуальные наблюдения.
К недостаткам потенциометрических датчиков можно отнести необходимость иметь стабилизированный источник питания и ограниченную область их применения из-за того, что они требуют некоторого механического усилия от первичного прибора.
Потенциометрические датчики могут быть использованы для дистанционной передачи угла.
Потенциометрические датчики находят широкое применение в различных автоматических системах. Как датчики угла они используются в дистанционных гиромагнитных компасах, в системах стабилизации и т. д. Широкое распространение потенциометры получили благодаря сравнительно простой конструкции и универсальности.
Подробнее измерительные устройства автоматических систем этого вида рассказано здесь: Потенциометрические датчики
Индукционные датчики
Индукционные (трансформаторные) датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал переменного тока.
Принцип действия индукционных датчиков аналогичен принципу действия трансформатора, однако, в отличие от последнего, в индукционных датчиках коэффициент взаимной индуктивности вторичной и первичной обмоток изменяется в зависимости от положения подвижной и неподвижной частей датчика.
Все индукционные датчики подразделятся на две основные группы в зависимости от способа изменения взаимной индуктивности:
- датчики с поворотным (перемещающимся) якорем;
- датчики с поворотной (перемещающейся) обмоткой.
В датчиках с поворотным якорем изменение направления отклонения якоря вызывает изменение фазы выходного напряжения.
Датчики с поворотным якорем имеют следующие достоинства: отсутствие скользящих контактов, большую мощность выходного сигнала, малые габариты.
Их основные недостатки - наличие нулевого сигнала из-за магнитной и электрической асимметрии, наличие момента обратного воздействия на источник измеряемых перемещений, а также подверженность воздействию внешних магнитных полей.
В индукционных датчиках с поворотной обмоткой изменение взаимной индуктивности осуществляется поворотом вторичной обмотки относительно первичной.
Достоинствами датчиков с поворотной обмоткой являются большой диапазон измеряемых перемещений, незначительный момент обратного воздействия.
Их характерные недостатки - влияние реакции вторичной цепи нагруженного датчика на его характеристики, сложность технологии изготовления ротора.
Примеры индукционных датчиков: сельсины, преобразователи типа угол-код, датчики угловых скоростей (тахометры).
Термин "сельсин" происходит от английского названия self-synchronizing (сокращенно selsyn) - самосинхронизирующаяся. Сельсины используются в самосинхронизирующихся дистанционных передачах и в следящих системах в качестве датчика угла рассогласования.
Конструктивно сельсины выполняются обычно в виде электрических машин переменного тока с явно выраженными или неявно выраженными полюсами. В пазах ротора сельсина уложена одна обмотка. В пазах статора уложено три обмотки, магнитные оси, которых сдвинуты друг относительно друга на 120°. Обмотки статора соединены звездой.
Часто обмотку, размещенную в роторе, называют однофазной, а обмотки, размещенные в статоре - трехфазной обмоткой или обмотками синхронизации. Концы обмотки, помещенной в роторе, через контактные кольца и щетки выводятся на клеммную колодку.
Подробнее про сельсины смотрите здесь: Назначение, устройство и принцип действия сельсинов
Преобразователи типа угол-код представляют собой устройства, в которых измеряемая величина - угол поворота вала - преобразуется в цифровую форму. Информация об измеряемой величине в цифровой форме необходима для обработки ее в цифровых управляющих контроллерах.
Для представления углового перемещения в цифровой форме необходимо осуществить кодирование, т. е. выразить измеренный угол поворота совокупностью цифр какой-либо системы счисления (десятичной, восьмеричной, двоичной и т. д.).
Наибольшее распространение в технике получила двоичная система счисления вследствие простоты технической реализации устройств для представления числа в двоичном цифровом коде.
Наибольшую плотность меток имеют фотоэлектрические преобразователи, где ширина меток составляет единицы микрон.
Подробнее про измерительные преобразователи угол-код смотрите здесь: Энкодеры - датчики угла поворота
Для измерения скорости вращения вала применяются центробежные и гидравлические измерители скорости, а также тахогенераторы постоянного и переменного тока. В технической литературе эти устройства часто называют тахометрами.
Тахогенераторы постоянного тока предоставляют собой малогабаритный генератор постоянного тока с независимым возбуждением, напряжение которого линейно зависит от скорости вращения якоря.
Входной величиной тахогенератора является измеряемая скорость вращения якоря, выходной величиной - напряжение на зажинах. Принцип действия тахогенератора основан на использовании закона электромагнитной индукции.
В качестве тахогенераторов переменного тока обычно используются асинхронные тахогенераторы.
При вращении ротора в генераторной обмотке наводится э. д. с., амплитуда (действующее значение) которой линейно зависит от скорости вращения ротора, а частота определяется частотой источника переменного тока.
Для тахогенераторов переменного тока характерен фазовый сдвиг выходного напряжения по отношению к напряжению источника питания. Отклонение от линейной зависимости определяется реакцией цепи генераторной обмотки и возрастает с увеличением скорости вращения ротора.
Сравнительная оценка тахогенераторов постоянного и переменного тока как измерителей скоростей показывает, что тахогенераторы переменного тока предпочтительней с точки зрения надежности и стабильности характеристик.
Про тахогенераторы подробно рассказано здесь: Виды, устройство и принцип работы тахогенераторов
Датчики температуры
Для измерения температуры объекта управления используются измерители, принцип действия которых основывается на тепловом расширении твердых тел, жидкостей, газов, на изменении электрической проводимости, появлении контактной термо-э.д.с. и т. д.
Простейший биметаллический измеритель температуры представляет собой спай пластин двух разнородных металлов коэффициенты теплового расширения которых различны. Угол поворота биметаллической пластины является функцией температуры.
Подробнее про биметаллические датчики смотрите здесь: Биметаллическая пластина и ее использование в электротехнике
Термоэлектрические датчики температуры - термопары - основаны на принципе измерения э. д. с., возникающей при нагреве спая двух разнородных проводников.
Величина термо-э.д.с. термопары определяется разностью температур нагретого и холодного спаев и материала проводников и при постоянной температуре холодного спая является линейной функцией температуры горячего спая.
Термопары предназначены для измерения температуры изменяющейся в широких пределах (от 0 до 3000°). Диапазон измерения определяется материалом проводников.
Точность измерения температуры с помощью термопар существенно зависит от постоянства температуры холодного спая, поэтому необходимы специальные меры для компенсации влияния изменения температуры холодного спая на ошибку измерения.
Полезные статьи про термопары и особенности их использования:
Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС) и ее применение в технике
Схемы включения и компенсации термопар
В качестве датчиков температуры, основанных на изменении электрического сопротивления проводников или полупроводников при изменении температуры, попользуют термосопротивления с большим температурным коэффициентом сопротивления.
Следует отметить, что для полупроводниковых термосопротивлений (термисторов) температурный коэффициент отрицателен.
В термосопротивлениях величина сопротивления представляет собой линейную функцию намеряемой температуры в достаточно широком диапазоне температур.
Термометр сопротивлений состоит из керамического или слюдяного каркаса, на котором размещена бифилярная обмотка из проволоки диаметром 0,04 - 0,1 мм. Для защиты от механических повреждений каркас с обмоткой помещают иногда в защитный кожух.
В автоматических системах термостабилизации термометры сопротивления обычно включаются в мостовые электрические схемы. К одной диагонали моста подводится напряжение от источника питания, с другой диагонали снимается выходной сигнал в виде напряжения, которое определяется величиной термосопротивления.
Подробнее про датчики температуры этого типа читайте здесь: Принцип действия, виды и конструкции, особенности использования термометров сопротивления
Что нужно учитывать при выборе датчиков температуры: Достоинства и недостатки различных датчиков температуры
Измерители давления
В качестве измерителей давления в автоматических системах применяются упругие чувствительные элементы мембранного или сильфонного типа, трубчатые пружины и датчики давления (пьезоэлектрические, угольные).
В упругих измерителях измеряемое давление преобразуется в линейное или угловое перемещение. В трубчатых измерителях давления угол раскручивания свободного запаянного конца трубки является функцией давления жидкости или газа, подводимых через штуцер к другому концу трубки. Измеритель давления сильфонного типа представляет собой гофрированную трубку, свободный конец которой перемещается при изменении измеряемого давления.
Измерение давления в автоматических системах:
В чем измеряется давление в физике, единицы измерения давления
Приборы для измерения давления
Электрические датчики давления
Как производится наладка приборов для измерения давления, разрежения и расхода
Пьезоэлектрические датчики давления основаны на свойстве некоторых кристаллов выделять на поверхности заряды при сжатии или растяжении. Примером кристаллов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, является кварц.
Измеряемое давление воспринимается мембраной передается двум кварцевым пластинам. Пластины располагаются таким образом, что на их внутренних гранях образуются одноименные заряды. Разность потенциалов снимается с металлических прокладок.
Пьезоэлектрические датчики давления целесообразно попользовать для измерения давления в быстропеременных процессах, так как для них характерна быстрая утечка зарядов вследствие объемной и поверхностной проводимости кристалла.
Особенности применения пьезоэлектрических датчиков:
Пьезоэлектрики, пьезоэлектричество - физика явления, виды, свойства и применение
Другие измерительные устройства автоматических систем:
Фотоэлектрические датчики положения
Датчики технологических параметров - силы, давления, крутящего момента
При определении целесообразности использования того или иного типа датчиков в автоматической системе необходимо провести сравнительную оценку соответствия их характеристик требованиям, предъявляемым к системе в смысле точности, надежности, экономичности, простоты реализации, функционального назначения, условий эксплуатации и т. д.