Измерительные элементы автоматики

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





В.А. ЖМУДЬ





                ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ




Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия












НОВОСИБИРСК

2012

УДК. 681.518.3(075.8)
      Ж 774




Рецензент
д-р техн. наук, проф. Г.А. Французова






      Жмудь В.А.
Ж 774 Измерительные элементы автоматики : учеб. пособие В.А. Жмудь. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. - 72 с.


           ISBN 978-5-7782-2125-3


          Пособие является обзором основных проблем поиска и выбора измерительных элементов при разработке и создании прецизионных систем управления для метрологических целей и для фундаментальных физических исследований.
          Предназначено студентам факультета кафедры автоматики в качестве дополнительного материала по курсу «Микропроцессорные устройства и системы» по специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах».
          Работа выполнена в рамках задания Министерства образования и науки РФ (проект №7.599.2011)






УДК. 681.518.3(075.8)





ISBN 978-5-7782-2125-3

                    ©ЖмудьВ.А., 2012
© Новосибирский государственный

технический университет, 2012

            ВВЕДЕНИЕ


   Микропроцессорные устройства автоматики, как и всякие управляющие системы, используют сигналы, несущие информацию о состоянии управляемых объектов для формирования воздействия на объект, изменяющего его состояние в требуемом направлении на нужную величину. Поэтому в любой автоматической системе необходимы датчики - устройства, преобразующие измеряемые величины, в электрический сигнал. Обобщенная функциональная схема микропроцессорной управляющей системы показана на рис. В.1.

Pwc. В.1. Обобщенная функциональная схема микропроцессорной управляющей системы

   Датчик преобразует измеряемую величину в электрический сигнал, который через интерфейс и АЦП поступает в микропроцессорное устройство. Туда же от пользователя поступает предписанное значение управляемой величины (если оно не задано однократно при проектировании). Микропроцессорное устройство, анализируя разницу между измеренной величиной и ее предписанным значением, формирует управляющий сигнал обратной связи, который через усилитель поступает на привод, воздействующий на объект. В связи с развитием тех

3

ники несколько элементов электронная части системы, или даже все они могут быть реализована на одном кристалле. Привод, как правило, осуществляет преобразование, обратное по отношению к датчику, то есть преобразует электрический сигнал в неэлектрическую величину (нагрев, охлаждение, перемещение, поворот и иное воздействие на объект).

            1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДАТЧИКАХ

            1.1. Классификация датчиков


   Раздел 1 написан по материалам книги [1] Дж. Фрайдена (и местами в дискуссии с автором). Автор приводит такое определение датчиков: «Датчик - это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них» [1]. Автор не вполне прав, это определение излишне широко. Оно охватывает и органы чувств человека (глаза, уши) и органы управления технических систем (манипулятор «мышь», клавиатуру, спусковой крючок револьвера) и так далее.
   Чтобы дать более корректное определение, будем понимать термин «устройство» как искусственно созданное изделие техники, а термин «реагирующее» понимать как «формирующее сигнал, который может быть воспринят техническим устройством», как правило, это - электрический сигнал. Следует также исключить из понятия «датчик» кнопки, переключатели, клавиатуру и прочие командные устройства для ввода дискретных сигналов и команд управления, хотя изредка и кнопки могут быть датчиками, например «концевой датчик» - устройство, формирующее сигнал достижения движущимся объектом крайней допустимой точки перемещения.
   Тот же автор приводит уточненное определение датчика: «Датчик -это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов» [1]. Оно слишком узко: выходом датчика может быть не только электрический сигнал, а также, например, изменение его электрического параметра (сопротивления, емкости и т. д.). Но и в этот термин опять входят органы управления, даже выключатели и кнопки.
   Понятие «датчики» предполагает высокую оперативность получения измерительного сигнала, поскольку они чаще всего предназначены для контроля параметров процессов в темпе их протекания, а зачастую - и для управления этими параметрами. В этом смысле датчики отличаются от измерительных устройств, которые требуют большого времени на обработку сигнала для получения информации. Измери

5

тельные устройства зачастую изготавливаются на основе датчиков, но в этом правиле имеются исключения.
   В автоматике датчики применяются для оперативного измерения регулируемой величины с целью управления этой величиной в контуре с отрицательной обратной связью.
   Иногда измерительные приборы использую несколько типов датчиков для измерения разных величин. Также могут быть использовано несколько типов датчиков, последовательно преобразующих измеряемую величину в электрический сигнал. Например, угол поворота может быть преобразован в перемещение оптического пучка, а далее порождаемые этим перемещением изменения освещенности фотодиодной линейки могут быть преобразованы в числовой код, по которому можно судить об угле поворота.
   Датчики можно разделить на различные группы по выбранному признаку. По количеству измеряемых величин датчики разделяются на одноканальные и многоканальные.
   По виду изменяемой величины можно выделить датчики со следующими видами преобразования измеряемой величины:
   1.  в изменения непосредственно самой электрической величины:
      1.1. тока;
      1.2. напряжения;
      1.3. заряда;
   2.  в изменения заданного свойство электрического сигнала:
      2.1. частоты периодического электрического сигнала;
      2.2. фазы периодического электрического сигнала;
      2.3. других свойств;
   3. в изменения электрического параметра участка цепи:
      3.1. сопротивления;
      3.2. емкости;
      3.3. индуктивности;
      3.4. частоты резонанса в схеме замещения;
      3.5. других параметров;
   4.  в цифровой код:
      4.1. в параллельный код;
      4.2. в последовательный код;
      4.3. в специальный код.
   5. в другое.
   Термин «другое» включает все иные датчики, которые не подпадают ни под один подраздел данной классификации. Включение раз

6

дела «другие» не обязательно, но в связи с развитием измерительных средств нельзя исключать появления датчиков, не вписывающихся в пп. 1-4.
   Датчики можно разделить по схеме включения на следующие типы:
   1. Тип I. Требующие внешнего возбуждения:
    1.1.     требующие непосредственно электрического возбуждения, не содержащие специальной схемы преобразования, питающиеся:
      1.1.1. (стабильным) напряжением;
      1.2.1. (стабильным) током;
      1.3.1. включением в специальную (мостовую или иную) схему;
    1.2.      требующие другого способа возбуждения (в том числе, формируемого посредством электрического преобразователя);
    1.3.      требующие подключения источника электрического питания только (или в том числе и) для вторичных преобразователей, а также содержащие схему преобразования электрической или неэлектрической величины в стандартный сигнал, питающиеся;
      1.3.1. одним напряжением;
      1.3.2. несколькими напряжениями;
      1.3.3. другие.
   2.     Тип II. Не требующие подключения внешнего возбуждения, формирующие:
    2.1. ток;
    2.2. напряжение или ЭДС;
    2.3. другое (но не заряд).
   Устройства, формирующие заряд, следует отнести к п.1.3., т. к. они не могут применяться без схемы преобразования заряда в напряжение или ток.


            1.2. Датчик, как преобразователь энергии


   Всякий датчик преобразует энергию и трансформирует её в электрический сигнал, или в иную форму изменения энергии, удобную для измерения. Для повышения точности измерения требуется увеличение сигнала на фоне возникающих шумов. Но, с другой стороны, чем сильнее получаемый сигнал (при прочих равных условиях), тем больше энергии забирается из среды, в которой осуществляется измерение.
   Датчик, вносящий слишком большие изменения энергии (нагревающийся за счет выделяемой омической мощности, или отнимающий

7

тепло из измеряемой среды), не может служить для точных измерений. Но датчик, формирующий слишком слабый сигнал на фоне неотъемлемых шумов, также не оптимален. Поэтому, как правило, существует и должно достигаться оптимальное решение - как для выбора вида датчика, так и для рабочего режима этого датчика. Для этого применяются усилители сигналов, преобразующие слабые сигналы датчиков в сигналы достаточной мощности для их дальнейшей транспортировки и обработки. Схемы преобразования сигналов датчиков служат для этих целей, но не только. Они необходимы для преобразования одних электрических величин в другие, для снижения влияния нежелательных параметров, для стабилизации рабочего режима и для иных целей. Если схема преобразования встроена в датчик, применение датчика существенно упрощается, т. к. пользовательские характеристики обеспечиваются изготовителем, и почти не зависят от квалификации пользователя (и не требуют его слишком высокой изощренности при условии, что он следует рекомендациям разработчика).
   Целесообразно отличать датчики от преобразователей вообще по следующему признаку: датчики предназначены исключительно для измерений, и поэтому преобразуют все виды энергии в электрический сигнал.
   В противовес датчикам Дж. Фрайден вводит определение «приводы», то есть преобразователи, преобразующие электрическую энергию в механическую или иную форму энергии, необходимую для выполнения каких-либо функций или для восприятия человеком [1]. Примером таких преобразователей, могут служить акустический динамик, термоэлектрическая батарея и другие устройства, преобразующие электрический сигнал в иные формы воздействий и сигналов. К ним же по этой классификации относится и мониторы, дисплеи, индикаторы.
   Дж. Фрайден вводит иную классификацию датчиков, отличающуюся от той, которая приведена в предыдущем разделе. В частности, он выделяет «составные» датчики, а также датчики «прямого действия», построенные непосредственно на физических или химических явлениях, таких, как фотоэффект, и т. п. В состав любого датчика обязательно входит хотя бы один датчик прямого действия. В составной датчик входит еще хотя бы один преобразователь. Также различают датчики наружные и встроенные, бесконтактные и контактные. Суть классификации ясна из названия.
   Параметрическими датчиками, а по классификации [1] - «активными», названы датчики типа I, требующие внешнего возбуждения, а

8