Краткие теоретические сведения. Среди множества разнообразных элементов автоматики особое место занимают первичные преобразователи или датчики

Среди множества разнообразных элементов автоматики особое место занимают первичные преобразователи или датчики. Первичным это устройство называют потому, что датчик является первым из элементов в системах автоматического регулирования, получающим и перерабатывающим информацию о текущем состоянии объекта регулирования.

Датчики применяют для измерения параметров технологического процесса. Основная функция датчика – преобразование параметра процесса (регулируемой величины) в какой-либо сигнал – электрический, механический, гидравлический и др.

Датчик является составной частью регулятора. Иногда в системах автоматического регулирования используется не один, а несколько датчиков.

В настоящее время известны множество явлений, эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые используются в датчиках.

Основной характеристикой датчика является статическая характеристика, которая представляет собой зависимость между преобразуемой (входной) и преобразованной (выходной) величиной. Статическая характеристика датчика может представляться аналитическим выражением, графиком, таблицей.

В практике автоматизации технологических процессов достаточно распространенной является задача измерения линейных и угловых перемещений. Широкое применение при этом находят потенциометрические (реостатные) датчики, которые предназначены для преобразования механического (линейного или углового) перемещения в электрическую величину в виде напряжения.

Потенциометрический датчик представляет собой реостат, величина сопротивления которого изменяется при перемещении скользящего движка. Проводник реостата может представлять собой тонкую проволоку с высоким удельным сопротивлением, намотанную на диэлектрический каркас, а может быть выполнен нанесением гальваническим способом или плазменным напылением на диэлектрическую пластину металлографического состава.

На рисунке 3.1 приведены схемы потенциометрического датчика уровня поплавкового типа (такой датчик установлен на стенде).

а) б)

а – датчик уровня поплавкового типа

б – расчетная электрическая схема преобразователя датчика

Рисунок 3.1 Схемы потенциометрического датчика

Чувствительным элементом датчика является поплавок 3. В датчике можно выделить два преобразующих элемента. Первый преобразует изменение положения поплавка х в отклонение движка 2 потенциометра 1, включенного в электрическую цепь с напряжением питания U₁. При перемещении движка потенциометра изменяется напряжение U₂ на резисторе нагрузки 4. Следовательно, второй преобразующий элемент датчика преобразует сигнал перемещения движка в выходной сигнал датчика – напряжение U₂. В результате датчик выдает унифицированный аналоговый электрический сигнал.

Схема электрического преобразователя поплавкового датчика показана на рисунке 3.1, б. Применяя законы Ома и Кирхгофа для соответствующих элементов электрической цепи, находим:

(3.1)

где R₀ – полное сопротивление потенциометра, ;

R₁, R₂ – сопротивления плеч потенциометра, отделяемых его движком;

R_Н – сопротивление резистора нагрузки.

Если выбрать сопротивление нагрузки R_Н гораздо больше полного сопротивления потенциометра R₀ , то характеристика преобразователя будет практически линейной:

(3.2)

где l_x – длина плеча потенциометра, соответствующая измеряемой величине х;

l₀ – длина потенциометра.

Можно подобрать плечи рычага, связывающего поплавок с движком потенциометра так, чтобы в требуемом диапазоне измерения уровня жидкости х связь между l_x и х будет линейной: где k₁ – коэффициент передачи первого преобразующего элемента – двуплечего рычага. Статическая характеристика потенциометрического датчика уровня в этом случае будет линейной:

(3.3)

где y = U ₂; k = k ₁ ·k ₂, здесь k ₂ – коэффициент передачи второго преобразующего элемента – потенциометра.

Важной характеристикой датчика является чувствительность, которая представляет собой первую производную выходной величины (напряжения U ₂) по перемещению поплавка х (входной величине), то есть

(3.4)

Таким образом, чувствительность k_r можно рассматривать как коэффициент усиления датчика.

Рассмотренный потенциометрический датчик по принципу действия относится к параметрическим(под действием входного сигнала изменяется сопротивление потенциометра), а по физической природе элементов – к электромеханическим.

При проведении исследований потенциометрических датчиков часто одновременно со статической характеристикой определяют его вольт-амперную характеристику (ВАХ), которая представляет собой зависимость , где I – ток в цепи нагрузки R_Н. Следует отметить, что вольт-амперная характеристика является по сравнению со статической характеристикой менее информативной, поскольку зависимость изменяется с изменением сопротивления нагрузки R_Н, то есть для каждого значения R_Н существует своя ВАХ.