Двухтактные схемы включения датчика

Автоматика

Автоматика – отрасль науки и техники охватывающая теорию и принципы построения систем управления техническими объектами и процессами без непосредственного участия человека.

Совокупность объектов управления и управляющего устройства называется системой автоматического управления.

Элемент автоматики – конструктивно законченное устройство выполняющее определенные самостоятельные функции при образовании сигнала.

Элементы автоматики

Характеристика элементов автоматики

Классификация и общие сведения

Согласно ЕСКД различают следующие схемы автоматики:
1) Структурная схема на которой показывается…
2) Функциональная – функции элементов систем.
3) Принципиальная – подробная схема показывающая принцип. взаимодействия отдельных элементов.
4)Монтажная – поясняет подключение отдельных элементов.
5) Схема подключений на которой показывается принцип подключения отдельных блоков системы.

Информационными элементами называют – датчики и преобразователи.
Распределение – элементы
Усилители – электроны, пневматические электрические машины.

Статический и динамический режимы работы элементов автоматики

Статический режим – это такой режим в котором входной и выходной сигналы не изменяются во времени, статический режим иллюстрируется статической характеристикой элемента.

· Статические характеристики датчиков:

· Стабилизаторы:

· Релейные эл:

Основной показатель статического режима коэффициент преобразования

статический коэффициент преобразования
динамический коэффициент преобразования
относительный коэффициент преобразования

Элементы автоматики как и любые измерительные приборы характеризуются относительно, абсолютной и приведенной погрешностью. Элементы автоматики характеризуются нестабильностью, то есть изменением параметров при изменении внешних условий. Элементы автоматики характеризуются порогом чувствительности и зоной нечувствительности. Порог чувствительности – минимальное значение входной величины изменяющее значение выходной.

Динамический режим – режим в котором входная и выходная величины изменяются во времени. Может быть апериодическим, безинерционным и колебательным.

Классификация преобразователей

Все элементы автоматики, отвечают требованиям ГСП (государственной системы приборов). В основу создания этой системы включены следующие принципы:
1) Минимизация и типизация функций автоматики контроля.
2)Минимизация номенклатуры технических средств.
3)Блочно-модульное построение приборов автоматики.
4)Агрегатное построение на базе унифицированных деталей.
5)Принцип совместимости всех устройств.

Основные виды унифицированных электрических сигналов ГСП.

Постоянный ток, мА	Постоянное напряжение, мВ	Переменное напряжение, В	Частота, кГц
0…5	0…10	0…2	4…8
0…20	0…20	-1…0…1	2…4
-5…0…5	-10…0…10	-	-
4…20	0…1000	-	-

Унификация и стандартизация измерительных преобразователей.

1.2 Датчики
1.2.1 Параметрические датчики

У параметрических датчиков изменение контролируемого параметра приводит к изменению параметра электрической цепи.

1. Контактные датчики.
Используются для контроля детали на конвейере, для контроля расположения детали механизма.

Потенциометрические датчики

Каркас выполняется из изоляционного материала и может иметь форму стержня, кольца, изогнутой пластины. Материал каркаса должен сохранять свои размеры в широком температурном диапазоне, условиях повышенной влажности и химических загрязненности атмосферы. Должны обладать высокой теплопроводностью. В качестве изоляционного материала используют гетинакс, текстолит и т.д.

Обмотку выполняют изолируемым проводом виток к витку или с заданным шагом.
Требования: высокое удельное электрическое сопротивление, высокая коррозионная стойкость, стабильность характеристик во времени, малый ТКС, большая прочность на разрыв, истирание.

Обмоточный провод – константан и манганин, при повышенных температурах – железо и никельхромовые сплавы.

Так же применяют сплавы: платина с иридием, платина с палладием и др.

0,01…0,10 мм - для датчиков высокого класса.
0,1…0,4 мм – для датчиков низкого класса.

Подвижный контакт – выполняется в виде двух – трех параллельных проволочек диаметром 0,1…0,2 мм, отличающимися по длине.

Двухтактные схемы включения датчика

Потенциометрический

Первая и вторая схемы отличаются чувствительностью. Потенциометрические датчики во второй схеме включены по постовой схеме. График 2 соответствует второй схеме. При малом приращении входной величины Х изменяется выходная величина. Потенциометрические датчики могут быть функциональны.

Выходное напряжение в данном случае будет повторять функцию кривой каркаса. Функциональную зависимость можно получить изменением диаметра проволки и шага обмотки.

Достоинства: малые размеры и масса, простота конструкции, возможность получения необходимых функциональных зависимостей относительно простыми средствами, получение высокоточных линейных статических характеристик, стабильность характеристик, малое переходное сопротивление, возможность работы на переменном и постоянном токе, малый ТКС.

Недостатки: наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказа из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибания движка, сравнительно небольшой коэффициент преобразования и высокий порог чувствительности, наличие шума, подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов, ограниченную скорость линейного перемещения или вследствие его вибрации при переходе с витка на виток и повышение при этом уровня динамического шума, ограниченную частоту переменного тока (до 1000Гц), низкую износоустойчивость.

Тензометрический датчик.

В основе работы лежит тензо-эффект который заключается в изменении сопротивления металла или полупроводника под влиянием механической деформации. Оценка этого изменения производится при помощи коэффициента тензочувствительности.
, где - коэффициент Пуассона, - относительное приращение удельного сопротивления материала при деформации, - приращение длины. Коэффициент тензочувствительности для металла 2-2,5, для полупроводника до 100.

Материалы: манганин, константа, нихром, платина-серебро, платина-вольфрам, никелин.

Фольговые преобразователи более чувствительны , более совершены. Полупроводниковые тензорезисторы более чувствительны, имеют меньшие размеры, обладают большим сопротивление, так как полупроводниковые имеют большой разброс параметров.

Минусы: низкое сопротивление изоляции, дополнительные механические напряжения вызваны колебанием температуры, что требует дополнительной калибровки перед каждым измерением.

Плюсы: малая масса, размеры, простота, изменяют статические и динамические параметры.

Индуктивный

Индуктивность является функцией размера зазора.

В системах измерения технологических параметров применяется дифференциальная схема, позволяющая получить разные фазы в полуобмотках трансформатора и если зазоры между якорем и сердечником одинаковы, то выходной ток нагрузки равен 0.

Емкостные датчики

, - относительная электрическая проницаемость среды, - диэлектрическая проницаемость вакуума, S- площадь пластины, - толщина диэлектрика или расстояние между пластинами.

Плоскопараллельный с изменяющимися зазором ( с площадью перекрытия S, которое могут быть датчиками линейных или угловых перемещений.

угловые

линейные.

Емкостные преобразователи с переменной диэлектрической проницаемостью используются для контроля уровня жидких и сыпучих веществ, для анализа состава веществ в химической промышленности. Емкость измерительных преобразователей – доли пФ(пикофарад), поэтому требуются источники питания повышенной частоты.

Плюсы: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, большая разрешающая способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемочных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимых закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния выходной цепи на измерительную.

Минусы: низкий уровень выходной мощности сигналов, нестабильность характеристик при измерении параметров окружающей среды, влиянии паразитных емкостей.

Пьезодатчики

В основу пьезо датчиков положено использование прямого пьезо-эффекта, который заключается в том, что при приложении механического усилия, пьезо элементу на двух его гранях появляется напряжение.

Прямой пьезо эффект используется для контроля усилий в автоматике, для контроля деформации, сжатия расстояния давления и т.д.

Плюсы:

Простота конструкции, малые размеры и стоимость, высокая надежность, возможность измерения быстропеременных величин.

Недостатки:

Невысокая чувствительность, непригодность к измерению статических величин, высокое входное сопротивления измерения цепи, относительно невысокий уровень выходного сигнала.

В современной автоматике пьезо эффект широко применяется для построения пьезо трансформатора, пьезо приводов для тонкого дозирования материалов в медицине.

Терморезисторы

Принцип действия терморезисторов основан на изменении сопротивления при изменении температуры.

Основное требование: стабильный температурный коэффициент сопротивления.

Металлические терморезисторы – платиновые и медные. Платиновые изменяют температуру до 1000 С. Медные до 200 .

, где – сопротивления преобразователя при рабочей и нулевой температурах, А,В – постоянные коэффициенты.

Для платиновой проволки, применяемой в промышленных терморезисторах, ,

В интервале температур от 0 до -200 С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид:

, где

Тип преобразователя	Номинальное сопротивление, Ом	Условное обозначение	Диапазон рабочей температуры, ˚С
ТСП	1	1П	-50…1100
	5	5П	-100…1100
	10	10П	-200…1000
	(46)	(гр 21)	-260…1000
	50	50П	-260…1000
	100	100П	-260…1000
	500	500П	-260…300
ТСМ			-50…200
			-50…200
			-50…180
			-200…200

Достоинства:

Простота, широкий диапазон температур при простых конструкциях.

Недостатки:

Плохие динамические свойства, высокие погрешности измерения, нестабильности при измерениях, окисляемость для медных преобразователей и нелинейность в зависимости сопротивления полупроводника.

2.1.2 Генераторные датчики
Термопара или термосопротивление

Термопара представляет собой два проводника, которые обладают разными термоэлектрическими свойствами.

В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий) и их сплавы, а так же неблагородные металлы и сплавы (сталь, никель, хром,, сплавы нихром, алюмель и д.р). Сравнительно редко применяют термопары из полупроводниковых материалов: кремния, селена и д.р.

ТермоЭДС возникает в спаях разнородных материалов. Оценка значения термоЭДС для разных материалов производится относительно платины.

, где - суммарная термоЭДС материалов термопары.

, где - термоЭДС использованных материалов.

Для получения более высокого значения термоЭДС термопары включают последовательно в батареи. Термопара обладает нелинейной зависимостью термоЭДС от температуры.

Достоинства:

Возможность измерений в большом диапазоне температур, простота устройства, надежность в эксплуатации.

Недостатки:

Невысокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.

Примеры характеристик термопар:

Условное обозначение	Материал термоэлектродов	Предел преобразования (при работе в кратном режиме), ˚С	Погрешность термоЭДС, мВ
Условное обозначение	Материал термоэлектродов	Предел преобразования (при работе в кратном режиме), ˚С	До 300˚С	Свыше 300˚С
ПП	Платино-родий (10% родия)
ХА	Хромель – алюмель
ВР –S/20	Вольфрам	0…2200 (2500)	(до 1000˚С)	(от 1000 до 1800˚С)