Датчики. Виды датчиков

Датчики – это измерительные преобразователи с выходной информацией в виде аналогового электрического сигнала. Датчики, как правило, входят в состав контрольно – измерительных приборов и систем автоматики. Иногда датчики включаются в единый конструктивный узел – измерительный регулятор, на который возлагаются задачи регулирования.

Датчики физических величин, которые выпускаются специализированными фирмами, как правило, подвергаются унификации по целому ряду параметров: по источникам питания; по форме и размерам монтажных плат, каркасов, панелей, пультов, конструкций корпусов, оснований и присоединительных узлов, по видам исполнений – пыле- и влагозащитном, герметичном, виброустойчивом и т.д.

Микропроцессорные датчики – это измерительные преобразователи с выходной информацией в виде цифрового кода.

Микропроцессорные датчики состоят:

1) из аналоговой части, преобразующей измеряемую физическую величину в электрический сигнал;

2) из микропроцессорной части, состоящей из блока АЦП, микропроцессорного блока, блока памяти и блока управления.

Микропроцессорная часть представляет собой, фактически, микроЭВМ, реализованную в виде микросхемы. Наличие микроЭВМ, даже с ограниченными арифметическими возможностями и памятью, позволяет реализовать функции интеллектуальных датчиков, осуществляющих предварительную обработку информации и управление процессом измерения.

Для обеспечения удобств сопряжения микропроцессорных датчиков с ЭВМ или локальной вычислительной сетью выходные цифровые коды от указанных датчиков нормируются соответствующим образом. Взаимная передача цифровой информации между системой микропроцессорных датчиков и ЭВМ через локальную сеть реализуется на основе протоколов обмена. Цифровые сигналы, посылаемые от ЭВМ к датчикам или наоборот, формируются на основе определенных протоколом правил, которые позволяют декодировать (кодировать) принятую (посланную) информацию.

Датчики (сенсоры) на интегральных схемах– - это измерительные преобразователи, реализованные в виде специальных интегральных схем. Конструкции указанных датчиков обязательно содержат аналоговую часть; параметры электронных компонент аналоговой части оказываются зависящими от измеряемых физических величин, например, температуры, давления, влажности и т.д.

Компьютерные измерительные системы – представляют собой системы, состоящие из ЭВМ, набора измерительных средств, электронных схем ввода аналоговых измерительных сигналов в ЭВМ и вывода цифровых сигналов из ЭВМ для передачи управляющих сигналов в измерительные средства. Применение ЭВМ позволяет эффективно решать задачи управления измерительными средствами, задачи обработки результатов измерений, задачи отображения измерительной информации на мониторе, задачи выбора информации, полученной от нескольких измерительных средств.

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами. Основой работы управляющего компьютера является входная информация, поэтому точные и надежные измерения – это необходимое условие качества управления.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описании, – статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свойства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими характеристиками (dynamic characteristic). Они существенно влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагирует на изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчику необходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевидно, что для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величины время реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, который применяется ко всей системе управления (компьютеру) процессом реального времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют быстродействие системы (производительность компьютера). Однако чаще требуется компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.

Бинарные и цифровые датчики

В системах управления последовательностью событий в основном применяются сигналы типа «включено/выключено», вырабатываемые бинарными датчиками. В любом производственном процессе приходится контролировать тысячи условий типа «включено/выключено».

Бинарные датчики используются для определения положения при механических перемещениях, для подсчета элементов в дискретных потоках (например, числа бутылок на выходе линии розлива), для контроля достижения предельных значений уровня или давления или крайних положений подвижных частей.

Бинарные и цифровые датчики бывают как простыми, состоящими только из выключателя, так и очень сложными. Некоторые цифровые датчики в действительности представляют собой полнофункциональный микрокомпьютер, встроенный в автономное устройство и вырабатывающий либо сигналы типа «включено/выключено», либо кодированные цифровые данные. Ниже описаны некоторые типы датчиков с бинарным выходом – положения, пороговые и датчики уровня.

Датчики положения

В качестве датчиков положения (position sensor) в течение многих десятилетий используются выключатели. Они состоят из электрических контактов, которые механически размыкаются или замыкаются, когда какая-либо переменная (положение, уровень) достигает определенного значения. Концевые выключатели (limit switch)различных типов являются важной частью многих систем управления, надежность которых существенно зависит именно от них. Они располагаются там, где «происходит действие», и часто подвергаются большим механическим нагрузкам и токам.

Пороговые датчики

Разные типы датчиков используются для определения момента, когда аналоговая величина (например, уровень, давление, температура или расход) достигает некоторого порогового значения. Поэтому их часто называют пороговыми датчиками (point sensors, limit sensors). Они обычно используются для подачи аварийного сигнала, а иногда и остановки процесса в случае достижения какой-либо величиной значения, указывающего на опасную ситуацию. Такие датчики должны быть устойчивыми и надежными.

Индикаторы уровня

Индикатор уровня (level switch) срабатывает, если резервуар заполнен до заданной высоты. Принцип работы зависит от свойств контролируемого вещества – жидкость, цементный раствор, гранулы или пыль. Индикатор может либо показывать текущий уровень, либо выдавать сигнал, когда уровень достигает заданного.

Поплавок, находящийся на поверхности жидкости, при достижении определенного уровня действует как концевой выключатель. Герконы являются идеальными выключателями для жидкой среды, поскольку они водонепроницаемы. На поплавке должен быть установлен магнит, чтобы вызвать срабатывание контактов геркона. Для той же цели часто используются фотоэлектрические датчики. Для твердых материалов приме­няются емкостные датчики приближения (proximity sensors). По мере повышения уровня заполнителя из пространства между стенкой сосуда и емкостным зондом вытесняется воздух, и поэтому изменяется емкость образованного ими конденсатора, которую можно измерить стандартными методами. Уровень можно измерить и датчиком давления, помещенным на дно сосуда, поскольку величина давления у дна прямо пропорциональна высоте столба вещества. В этом случае может вырабатываться как аналоговый (индикация текущего уровня), так и бинарный (достигнут пороговый уровень) сигнал.