2.3 Пристрої для сприйняття інформації про об’єкт керування
Керування об'єктом, зокрема технологічним процесом, можливе лише за умови, що на систему керування поступає інформація про стан об'єкта. Для сприйняття інформації про стан керованого об'єкта призначені спеціальні вимірювальні пристрої. Такі вимірювальні пристрої називають первинними вимірювальними перетворювачами, рецепторами, сенсорами. Елемент такого вимірювального пристрою, який безпосередньо взаємодіє з об'єктом керування і сприймає інформацію, називається чутливим елементом. Вимірювальний перетворювач, який разом з допоміжними елементами виготовлений у вигляді окремого виробу і встановлений безпосередньо на об'єкті керування, називається датчиком.
Класифікація датчиків
Датчики класифікуються за наступними ознаками:
В залежності від принципу дії електричні датчики можливо розділити на 2 великі групи:
Генераторні датчики
Параметричні датчики.
Генераторні - це датчики, які самі перетворюють неелектричні сигнали в електричні, без допомоги допоміжних джерел електроенергії. До них відносяться слідуючи типи датчиків: термопари, термоелектричні, індукційні, тахометричні, п’єзоелектричні.
В свою чергу, генераторні датчики можна поділити на датчики: :
Реактивного опору;
Індуктивні;
Ємносні;
Термоелектричні;
Пьєзоелектричні;
Тахометричні.
Параметричні датчики – це датчики, які перетворюють величину що вимірюється в параметри електричного кола:
Опір
Напругу
Силу струму
Індуктивність,
Ємність.
Для робіт параметричних датчиків необхідно допоміжні джерела електроенергії. До них відносяться слідуючи типи датчиків: фото датчики, потенціометричні, ємнісні, індуктивні, терморезисторні.
В свою чергу, параметричні датчики можна поділити на датчики активного опору, в яких відбувається змінення параметру R, і датчики реактивного опору, в яких відбувається змінення L або C:
Активного опору:
Контактні;
Реостатні;
Потенціометричні;
Тензодатчики;
Терморезистори.
-
За видом вхідного сигналу датчики діляться на наступні групи:
датчики температури
переміщення
швидкості
прискорення
геометричних розмірів
тиску
розходів і т.п.
За видом вихідного сигналу вони розділяються:
Датчики, які перетворюють керуючу величину у зміну: активного опору, ємність, індуктивності, значення напруги, струму, частоти і т.п.
Параметри датчиків в багатьох випадках утворюють якість САУ у цілому. У той же час умови праці датчиків часто більш важкі, чим САУ, так до датчиків, що розташовані безпосередні на об’єкті і підвергаються впливу агресивних середовищ, електромагнітних полів, ударів, вібрацій, високих або низьких температур, вологості, радіації.
Основними параметрами датчиків являються:
Точність інформації
Надійність
Великий строк служби
Стабільність параметрів під час роботи, при зміні умов експлуатації,
Вид статистичної характеристики (лінійна, нелінійна, реверсивна, нереверсивна)
Зворотній вплив датчика на об’єкт управління
Швидкодія
ККД
До деяких датчиків можуть пред’являтись і особливі вимоги, такі як:
іскробезпека
стійкість до хімічних, механічними впливів, радіаційного випромінювань
малі габарити й маса
Датчики, які використовуються для автоматизації на промислових підприємствах, повинні видавати вихідні універсальні сигнали:
Характеристики датчиків
Для забезпечення потрібного рівня керування об'єктом необхідно, щоб параметри датчиків відповідали заданим вимогам. Характеристики датчиків поділяються на статичні, які характеризують датчик у статичному режимі, і динамічні, що характеризують його в динамічному режимі. Статичним режимом датчика називається режим роботи, коли на вході датчика діє стала фізична величина. Однак стала фізична величина — лише зручна математична модель, абстракція, яка застосовується для теоретичного аналізу. В природі всі величини змінюються з тією чи іншою швидкістю. З іншого боку, реальні технічні пристрої, зокрема датчики, мають інерцію, тобто реагують на вхідну дію не миттєво, а з деяким запізненням. Враховуючи все це, доцільно вважати статичним режимом реального технічного пристрою (датчика) такий режим, коли інерційними властивостями пристрою можна знехтувати порівняно зі швидкістю зміни сигналу на його вході.
Динамічним режимом роботи технічного пристрою вважається режим роботи, в якому динамічні характеристики пристроїв, обумовлені інерційністю, істотно впливають на результат роботи.
Характеристики датчиків у статичному режимі. Найбільш повно властивості датчиків у статичному режимі-представляє функція перетворення (статична характеристика).
Функція перетворення — це залежність вихідної фізичної величини датчика у від вхідної х, тобто у =f(х). Для більшості датчиків залежність у =f(х) — нелінійна. Функція перетворення характеризує вимірювальний перетворювач у всьому діапазоні зміни вхідної і вихідної величини і є повною статичною характеристикою. В окремих випадках достатньо знати тільки окремі параметри вимірювального перетворювача.
Одним із таких важливих параметрів є чутливість, яка визначається як відношення вихідної величини вимірювального перетворювача у до його вхідної величини х:
Роздільна здатність датчика — це властивість розрізняти два близькі значення вхідної величини.
Лінійність датчика — це ступінь наближення функції перетворення датчика до прямої лінії. Для аналого-цифрового перетворення сигналу необхідна пряма пропорційна залежність між вихідним значенням перетворювача і фізичною величиною на вході датчика, тому лінійність датчика є дуже важливим параметром.
Робочий або динамічний діапазон датчика — це діапазон зміни вхідної величини, в якому параметри датчика не виходять за задані межі.
Повторюваність — це властивість датчика зберігати свої параметри від екземпляра до екземпляра.
Відтворюваність — властивість відтворити задані характеристики датчика під час його виготовлення.
Вхідний і вихідний імпеданс датчика — це вхідний і вихідний повні опори. Ці характеристики датчиків дуже важливі для узгодження параметрів датчика з іншими пристроями в каналі вимірювання, а також для оцінки впливу датчика на досліджуваний процес.
Характеристики датчиків у динамічному режимі. Якість керування багато в чому залежить від того, як швидко система керування в цілому та її складові частини, зокрема датчики, реагують на зміни в об'єкті керування. В деяких випадках несвоєчасна реакція систем автоматичного керування на зміни в об'єкті керування призводить до аварійних ситуацій і виходу з ладу. Динамічні характеристики показують ступінь інертності датчиків.
Динамічні характеристики поділяються на повні, які мають всю повноту інформації про інерційні властивості об'єктів, і часткові, які характеризують тільки певні властивості об'єктів.
До повних динамічних характеристик належать: імпульсна і перехідна характеристики в часовій області й амплітудно-частотна, фазочастотна та комплексна характеристики в частотній області.
Перехідною характеристикою датчика h(х) називається реакція датчика, тобто його вихідний сигнал, на одноступінчатий сигнал на вході.
Імпульсною характеристикою датчика g(х) називається реакція датчика на вхідний імпульсний сигнал надзвичайно малої тривалості.
Амплітудно-частотною характеристикою датчика називається залежність відношення амплітуд вихідного і вхідного синусних сигналів від частоти.
Фазочастотна характеристика датчика — це залежність різниці фаз вихідного і вхідного сигналів від частоти.
Комплексна частотна характеристика — це комплексна функція, модулем якої є амплітудно-частотна, а аргументом — фазочастотна характеристики.
Аналогові датчики
Переважна більшість об’єктів керування характеризується неперервними фізичними величинами, які поступаються на вхід датчиків.
Вихідним сигналом аналогового датчика є неперервна фізична величина. За видом вхідної величини аналогові датчики поділяються на такі види: датчики руху (кутового і лілійного переміщення, швидкості прискорення), датчики сили, моменту, тиску, датчики наближення (індуктивні, ємнісні, магнітні), датчики температури, датчики витрати, хімічні і біохімічні датчики.
Бінарні, імпульсні і цифрові датчики
Бінарні датчики — це датчики, вихідний сигнал яких може бути тільки у двох альтернативних станах, наприклад увімкнено- і вимкнено. До бінарних датчиків належать датчики положення (positions sensor). Як датчики положення використовуються різного роду вимикачі. Одним з видів датчиків положення є так звані кінцеві вимикачі (limit switch), які призначені для фіксації меж робочого ходу виконавчих пристроїв.
Імпульсні датчики мають вихідний сигнал у вигляді імпульсів. Найбільшого поширення набули імпульсні датчики кутового переміщення вала і положення (позиції) вала. Перетворення кутового переміщення в кількість імпульсів може ґрунтуватися на таких фізичних принципах: відбивання і переривання світлового потоку (фотоелектричні імпульсні датчики), стрибкоподібна зміна взаємної індуктивності (індуктивні імпульсні датчики) або взаємної ємності (ємнісні імпульсні датчики) тощо. Недоліком імпульсних датчиків є великі похибки під час перебою в роботі і пропуск одного або кількох імпульсів.
Цифрові датчики перетворюють вхідну фізичну величину (здебільшого це кутове чи лінійне переміщення) у код, тобто в одному пристрої суміщено чутливий елемент і аналого-цифровий перетворювач. Для аналого-цифрового перетворення кутового чи лінійного переміщення використовують ряд паралельних чи концентричних доріжок, кожна з яких поділена на однакові ділянки. Властивості двох сусідніх ділянок кожної доріжки різко відрізняються одна від одної, наприклад: прозора-непрозора, намагнічена-ненамагнічена, провідна-непровідна тощо. На кожну доріжку встановлено чутливий елемент, що фіксує, яка саме ділянка знаходиться у даному положенні. Сукупність вихідних сигналів чутливих елементів є кодом кутового чи лінійного переміщення відносно початкового положення.
|