Элементы судовой автоматики - Жадобин Н.Е., Крылов А.П. [2002, PDF/DjVu]

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ДАТЧИКИ

1.1. Общие понятия и определения
Процесс управления автоматическими системами связан с получением информации о состоянии объекта управления. Получение информации происходит при помощи измерительных преобразователей и датчиков. Измерительным преобразователем (ИП) называется техническое устройство, предназначенное для преобразования одной физической величины в другую, функционально с ней связанную.
Обычно необходимое преобразование осуществляется посредством нескольких ИП, соединенных между собой определенным образом. Измеряемая физическая величина поступает на вход первого ИП, который называется первичным измерительным преобразователем (ПИП). Выходная величина из ПИП поступает на вход последующего ИП, который называется промежуточным. Преобразование измеряемой величины происходит до тех пор, пока с выхода последнего ИП, называемого выходным, не будет получена выходная величина, удобная для дальнейшей обработки, дистанционной передачи и непосредственного восприятия наблюдателем. В дальнейшем измерительные преобразователи будут также называться и просто преобразователями.
Датчиком автоматической системы управления, контроля или измерения называется конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещенная непосредственно у объекта управления и служащая для преобразования измеряемой ве-
А
личины в выходной сигнал, удобный для дальнейшей обработки, дистанционной передачи, хранения и непосредственного восприятия наблюдателем.
В ходе многократных преобразований измеряемые величины меняют свой вид, форму и мощность. В результате последнего преобразования измеряемые величины представляют собой нормированные электрические сигналы. Они, соответственно, могут иметь форму аналогового (непрерывного), цифрового (кодового) или позиционного (логического) сигнала. Нормирование выходного электрического сигнала необходимо для того, чтобы обеспечивать электрическую и информативную совместимость разных устройств.
Аналоговые сигналы постоянного тока унифицированы по диапазону изменения и допустимому значению нагрузки. Наиболее распространены сигналы напряжения постоянного тока 0...10 В и силы постоянного тока 0...5 мА. Датчики, имеющие на выходе напряжение, должны обеспечивать неизменный выходной сигнал при изменении нагрузки от холостого хода до 2 кОм, выполняя роль идеального генератора напряжения. Датчики, имеющие на выходе ток, должны сохранять неизменной силу тока при изменениях сопротивления нагрузки от 0 до 2 кОм, выполняя роль идеального генератора тока. Преобразователи обоих типов позволяют подключать одинаковое количество нагрузок, в первом случае параллельно, а во втором — последовательно.
Кроме упомянутых типов выходных сигналов, в системах управления используются диапазоны 0...20 мА и 4...20 мА. Ненулевое значение выходного сигнала при начальном значении измеряемого параметра в последнем случае позволяет контролировать обрыв линии связи по снижению уровня сигнала ниже допустимого значения, а иногда неинформативную часть выходного сигнала до 4 мА используют для передачи питания ИП от внешнего источника.
В цифровом выходном сигнале измерительная информация зашифрована посредством кода. Позиционный сигнал представляет
собой простейший вид передачи измерительной информации, в котором измеряемый параметр сравнивается с заданным фиксированным значением — пределом (уставкой), а результат преобразования может иметь два значения: “больше” или “меньше”. Сигнал этого вида широко используется для сообщения о различных состояниях объекта или процесса, а также для логической обработки и позиционного регулирования.
Математическое, или графическое, описание функциональной связи между измеряемой х и выходной у величинами называется статической характеристикой’.
У =/(*)•
Чувствительностью ИП или датчика называется предел отношения приращений выходной и измеряемой величин:
Дх—> 0 Ах dx
В случае нелинейной статической характеристики чувствительность является функцией измеряемой величины. В случае линейной статической характеристики чувствительность оказывается постоянной величиной. Отношение значения выходной величины к соответствующему значению измеряемой величины называется коэффициентом преобразования-.
ki =yt /Xj.
У ИП и датчиков с линейной статической характеристикой чувствительность и коэффициент преобразования равны.
Наряду со статической характеристикой и чувствительностью к основным характеристикам преобразователей и датчиков относятся: инерционность; разрешающая способность; мощность или усилие, требуемые от источника измеряемой величины; выходная мощность и значение выходной величины. Инерционность характеризуется отставанием изменений выходной величины от изменений измеряемой величины. Она обуславливает возникновение динамических погрешностей. Разрешающая способность опреде-
А
ляется наименьшим изменением измеряемой величины, приводящим к изменению выходной величны. Эта характеристика зависит, в основном, от собственных шумов преобразователя или датчика. Мощность или усилие определяют условия согласования преобразователя или датчика с источником измеряемой величины. Выходная мощность и значения выходной величины влияют на структуру датчика. При небольшой выходной мощности или малых значениях выходной величины в датчик может быть введен усилитель.
В зависимости от физической природы измеряемой величины преобразователи и датчики делят на две группы: 1) преобразователи и датчики электрических величин; 2) преобразователи и датчики неэлектрических величин. К первой группе относятся преобразователи и датчики, реагирующие на изменение напряжения, тока, частоты, мощности; ко второй — реагирующие на изменение температуры, давления, крутящего момента, частоты вращения и т.д.
По роду выходной величины преобразователи и датчики делятся на электрические и неэлектрические. В зависимости от характера выходной величины электрические преобразователи и датчики подразделяют на два типа: параметрические и генераторные. Параметрические преобразуют неэлектрические измеряемые величины в параметры электрических цепей: £, С, R. Такие преобразователи включаются в различные измерительные схемы, которые имеют дополнительный источник питания. В генераторных преобразователях происходит преобразование измеряемой величины в ЭДС постоянного или переменного тока.
По виду измеряемой величины датчики подразделяют на: датчики перемещения, давления, расхода, температуры, крутящего момента, угла рассогласования и т.д. Преобразование одних и тех же измеряемых величин могут осуществлять датчики, в основе которых могут лежать различные принципы действия.
Одно из главных следствий широкого применения ЭВМ в разнообразных системах управления — резкий рост потребности в дешевых и надежных датчиках.
В современных автоматизированных системах контроля и управления доминирующее значение приобретают микро-ЭВМ Следовательно, возникла необходимость разработки датчиков, совместимых с микро-ЭВМ по точности, быстродействию, долговечности и другим параметрам Этим же можно объяснить общую тенденцию конструктивного объединения датчиков с микропроцессорными устройствами для предварительной обработки информации до ее передачи в управляющую или контролирующую ЭВМ.
1.2. Датчики температуры
В судовых энергетических установках в датчиках температуры наиболее широкое применение нашли термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи.
Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на явлении изменения электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при изменении их температуры. В термопреобразователях сопротивления используются материалы, обладающие большим и стабильным температурным коэффициентом сопротивления, линейной зависимостью сопротивления от температуры и хорошей воспроизводимостью свойств.
Приборы для измерения температуры, в которых в качестве чувствительных элементов используются термопреобразователи сопротивления, называются термометрами сопротивления. В промышленных термометрах сопротивления нашли применение проводниковые термопреобразователи сопротивления. Их изготавливают из чистых металлов: платины, меди, никеля, железа. Наиболее широко применяются платина и медь. Для металлов зависимость сопротивления от температуры имеет нелинейный характер :
R =Ло(1+а0 +р©2 +у©3 +...),