Датчики. Введение

Техника не мыслима без устройств измерения различных величин. Нужны датчики давления, температуры, веса, концентрации и так далее. В данном цикле статей будет предпринята попытка понятным языком объяснить основные принципы работы датчиков, используемых в автоматике для студентов специальностей не связанных непосредственно с автоматизацией. Многие технические подробности будут намеренно упускаться и упрощаться для упрощения понимания.

Практически подавляющее большинство устройств вокруг нас — электрические. Они используют электрическую энергию для работы. Возможно создание устройств на пневматической или гидравлической энергии, но это редко встречаемая экзотика. Таким образом, если мы имеем электрическое устройство, то сигнал, с которым оно может манипулировать — электрический. Электрические характеристики, которые мы можем непосредственно измерять это напряжение, сила тока, сопротивление, емкость, индуктивность, и с натяжкой — время / частота. Поэтому, что бы измерить давление, вес, скорость и т.д. мы должны искомую величину преобразовать в ту, которую мы можем измерить. Иногда это удается в один этап, иногда за два — три этапа. Например для измерения расхода воды:

В трубопровод смонтирована крыльчатка, которая вращается от проходящего потока воды. Чем быстрее вращается — тем больше расход. Крыльчатка соединена с магнитом, а рядом с магнитом размещена катушка индуктивности. Чем быстрее вращается крыльчатка, тем быстрее вращается магнит, тем быстрее меняется магнитное поле через катушку, тем большее напряжение в ней возникает. И непосредственно напряжение (переменное) на  катушке мы измеряем электронным устройством.

Выходит преобразование: Расход -> вращение -> возбуждение ЭДС -> измерение.

Или другой пример — измерение концентрации горючего газа. Платиновая катушка-нагреватель питается постоянным напряжением. Если в воздухе есть горючий газ то на поверхности разогретой платиновой спиральки происходит его каталитическое горение. Это горение вызывает рост температуры. Электрическое сопротивление металлов растет с ростом температуры. Так как напряжение постоянное, а сопротивление растет, то уменьшается ток через спиральку и изменение этого тока можно измерить электрически.

Выходит преобразование: Концентрация -> горение на катализаторе -> нагрев -> изменение сопротивления -> изменение тока -> измерение.

И такие шаги могут быть самыми разнообразными, причем при помощи разных технических средств можно превращать одну величину в другую. Например баллон с газом превращает изменение температуры в изменение давления. А сильфон изменение давления в перемещение. И т.д.

Таким образом некоторые базовые чувствительные элементы могут использоваться для измерения самых неожиданных величин. Например фотокамерой смартфона можно измерять пульс.

Сам чувствительный элемент (со своим усилителем, если таковой есть) в терминах автоматизации называется первичным преобразователем. Прибор который производит измерение (например прибор с циферблатом, показывающий массу в кг) называется вторичным преобразователем. При этом часто первичный преобразователь содержит в себе нормирующий усилитель, который выдает унифицированный сигнал. Это удобно с точки зрения промышленной автоматики. Например у нас есть два датчика, один измеряет расход воды от 0 до 1 л/с, второй измеряет температуру от 0 до 100 градусов цельсия. Оба датчика, при помощи встроенных усилителей выдают токовый сигнал 0 мА при минимальном значении и 20 мА при максимальном. Тогда можно использовать универсальный вторичный преобразователь, показывающий 0 на табло при минимальном сигнале и 1 при максимальном, просто задав разные коэффициенты (x1 в случае измерения расхода воды и x100 в случае измерения температуры) и сделав разные подписи под прибором. Это ускоряет работу и уменьшает номенклатуру закупаемых изделий.

Если же вы занимаетесь любительской разработкой, то стоимость промышленных первичных преобразователей вас наверняка оттолкнет, поэтому наверняка съемом, усилением и обработкой сигнала с чувствительного элемента вы будете заниматься самостоятельно.

 

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *