Преобразователи измерительной информации (датчики) в системах управления

Классификация датчиков

Из приведённой на рисунке 3.1 структурной схемы следует, что точностные характеристики большинства существующих систем управления техническими объектами определяются чувственностью преобразователей измерительной информации (датчиков).

Датчик – это устройство, реагирующее на изменение параметров технологического процесса, режима работы машин и аппаратов и осуществляющее непрерывное преобразование измеряемой физической величины (сила, давление, скорость, температура, расход, линейные и круговые перемещения) в другую, удобную для использования в системах управления величину (аналоговый и дискретный электрический сигнал).

В настоящее время любую физическую величину можно преобразовать в электрический сигнал.

Преобразователи измерительной информации (датчики) можно классифицировать:

- по виду входной величины – преобразователи неэлектрической (физической) величины в электрическую; преобразователи одной электрической величины в другую (датчики тока, напряжения);

- по виду преобразования – аналоговые (потенциальные, токовые, частотные, фазовые) и дискретные (амплитудно-импульсные, времяимпульсные, число-импульсные и колово-импульсные);

- по характеру преобразования входной величины в выходную – параметрические и генераторные.

Параметрические датчики – это датчики, в которых изменение входной неэлектрической величины преобразуется в изменение какого-либо параметра электрической цепи (активного сопротивления, индуктивности, взаимной индуктивности, ёмкости).

При включении параметрического преобразователя в электрическую цепь с источником питания его выходной величиной будет электрический сигнал, один из параметров которого ток, напряжение, амплитуда, частота и фаза переменного тока; параметры импульсных сигналов отражают значение входной величины.

В генераторных преобразователях (датчиках) происходит непосредственное преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал (ЭДС) без подвода энергии питания (датчики термо-ЭДС, пьезоэлектрические, индукционные, датчики на основе эффекта Холла).

Всё разнообразие структур построения датчиков можно представить в виде трёх основных структур, представленных на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Структура построения датчиков (Х – входной сигнал, Y – выходной сигнал, ПП – первичный преобразователь, ПРП – промежуточный преобразователь, ВП – выходной преобразователь

На рисунке 3.1, а изображена последовательная структура построения датчиков. В данном случае входной сигнал Х (измеряемая неэлектрическая величина, например, давление Р) поступает на вход первичного преобразователя (ПП), где преобразуется в другую неэлектрическую величину Х ₁ (например, линейное перемещение ). В качестве первичного преобразователя Р в схеме рисунок 3.1, а можно использовать мембрану или сильфон. Сигнал Х ₁ () поступает на вход промежуточного преобразователя в электрическое напряжение Х ₂(U). Такой вид промежуточного преобразования U можно реализовать с помощью тензурезисторных преобразователей.

Обычно датчики находятся на значительном расстоянии от центрального процесса системы управления и преобразуемые сигналы необходимо передавать по каналам связи. Сигнал Х ₂(U) не может быть непосредственно передан по каналам связи из-за высокой вероятности его поражения сигналом помехи. Поэтому в схему (рисунок 3.1, а) введён выходной преобразователь (ВП). Основной функцией ВП является преобразование сигнала Х ₂(U) выходной сигнал Y, представленной в форме удобной для помехоустойчивой передачи по каналам связи (в виде токового сигнала, цифрового кода).

Структурная схема (рисунок 3.1, б) представляет дифференциальный принцип преобразования измерительной информации. В отличие от схемы (рисунок 3.1, а) в данной схеме используются два идентичных канала с последовательным преобразованием (ПП ^′, ПРП ^′ и ПП ^′′, ПРП ^′′), выходные сигналы которых Х ₂ ^′, Х ₂ ^′′ в схеме сравнения суммируются, а сигналы помехи (температурный дрейф) вычитались, таким образом, осуществляется компенсация постоянной составляющей сигналов Х ₂ ^′, Х ₂ ^′′ и аддитивные погрешности (погрешности температурного дрейфа).

Дифференциальные преобразователи (датчики) обладают более высокой точностью, большей линейностью статистической характеристики и более высокой чувствительностью, чем преобразователи (рисунок 3.1, а).

Компенсационные измерительные преобразователи (рисунок 3.1, в) построены на принципе автоматического уравновешивания в схеме сравнения, преобразованной измеряемой величины Х ₂, компенсирующей величиной сигнала обратной связи. В качестве примера компенсационных преобразователей можно отметить рычажные весы, у которых измеряемый вес уравновешивается (компенсируется) эталонными гирями.

В компенсационных преобразователях (рисунок 3.1, в) происходит компенсация мультипликативных (изменяющих во времени коэффициент преобразования) погрешностей. При этом точность преобразования измерительных сигналов определяется стабильностью работы звена (ПРП ₂) обратной связи. На результат преобразования в схеме (рисунок 3.1, в) слабое влияние оказывает нелинейность характеристик элементов, охваченных обратной связью. К недостаткам компенсационных преобразователей следует отнести более сложную схему практической реализации, чем дифференциальных преобразователей и наличие аддитивных погрешностей.