Лекция 2. Состав СПА. Датчики

2.1. Основные понятия и общая классификация

Датчик (сенсор) – средство, преобразующее оказываемое на него воздействие в электрический или информационный сигнал.

Виды воздействия на датчик:

1) непрерывное (аналоговое) например, температура окружающей среды,

2) дискретное - имеющее 2-состояния (например, включатель) (правильнее такое воздействие назвать – бинарным, но первый термин устоялся в ПА и будет использоваться далее);

3) импульсное – последовательно сдвоенное дискретное, повторяющееся через некоторые промежутки времени:

o периодическое, еслипромежутки времени одинаковы;

o непериодическое, еслипромежутки времени различны;

4) гармоническое (синусоидальное), если периодический сигнал монотонен.

Виды датчиков в соответствии с видом воздействия ( в скобках указана используемая в ПА информацияо воздействии, содержащаяся в выходных электросигналах):

1) аналоговые (значение уровня сигнала, обычно, постоянного тока или напряжения);

2) дискретные (текущее состояние воздействия: включено - выключено);

3) импульсные (общее число импульсов с определенного момента времени или частота их повторения));

4) гармонические (амплитуда, частота и фаза относительно некоторых опорных значений).

Функциональное реле. - аналоговый датчик предельного значения - комбинация аналоговых по воздействию и дискретных по реакции датчиков при достижении аналоговым воздействием устанавливаемого значения (уставки).

По опыту автора среди датчиков ПА:

1) дискретных и импульсных ~ до 65 … 70%,

2) аналоговых, включая функциональные реле ~ 25…30% и более.

Относительное число остальных видов датчиков незначительно. Поэтому далее в основном рассматриваются только аналоговые и дискретные датчики.

2.2. Аналоговые (измерительные) датчики. Основные понятия и классификации

Физическая величина (ФВ) – количественная характеристика внешнего воздействия, используемая для управления оборудованием(например, температура, давление).

Датчик (сенсор) аналоговый (измерительный) – средство измерений (СИ) преобразующее воздействующую на него ФВ в электрический или информационный сигнал.

Средство измерений (СИ) в автоматике – электротехническое, электронное или электронно - информационное средство предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Измерительный сигнал – метрологически нормированныйэлектросигнал постоянного или переменного тока или напряжения, одна их характеристик которого соответствует значению измеряемой ФВ.

Измерительное данное – значение измеряемой ФВ в цифровом виде.

Чувствительный элемент (первичный преобразователь) (ЧЭ) – функциональная часть сенсора, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой ФВ.

Измерительный преобразователь (ИП) – функциональная часть сенсора преобразующая ФВ с нормированными метрологическими характеристиками.

Виды ЧЭ ИП по способу преобразования ФВ:

Физические -использующие известные физические закономерности, включая мостовую схему сравнения, для прямого пропорционального преобразования значения ФВ в уровень электрического сигнала (например, термоэлектрический эффект (Зеебека) в термопарах или мостовые схемы тензодатчиков т.д.)(Рис.2.1).

Косвенные - определяющие значение ФВ по результатам измерений физически связанной с ней вспомогательной ФВ. Содержит генератор и измеритель вспомогательной ФВ, а также тракт ее взаимодействия с искомой ФВ (например, радарный или ультразвуковой уровнемеры). (Рис.2.2).

 

 

Рис.2.1.Обобщенная структурная схема датчика с физическим ЧЭ

 

 

Рис.2.2.Обобщенная функциональная схема датчика с косвенным преобразованием измеряемой ФВ

Виды ЧЭ по числу преобразовательных элементов:

1) прямого действия -преобразуют ФВ непосредственно в электрический сигнал, используя соответствующее физическое явление (например, термо - тензо - пьезоэлектрический эффекты),

2) составные – содержат несколько преобразователей видов энергии (например, в состав химического сенсора могут входить 2 преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой - преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал).

Виды ЧЭ по использованию электропитания:

1) пассивные – не нуждаются в дополнительном источнике энергии (например, термоэлектронные, пьезоэлектрические, фотодиоды),

2) активные - используют источник внешней энергии (например, термисторные, тепло-, термо- или тензорезистивные).

Естественный сигнал – собственная эдс или изменение подаваемой извне электроэнергии на выходе ЧЭ.

Сигнал возбуждения – ток или напряжение, подаваемые в активные ЧЭ и изменяющие свою величину под воздействием ФВ.

Виды сенсоров по способу преобразования:

1) генераторные – пассивные ЧЭ реагирующие на внешнее воздействие изменением выходной эдс,

2) параметрические – активные ЧЭ, параметры (свойства) которых изменяют (модулируют) сигнал возбуждения.

По приведенной классификации генераторные ЧЭ являются физическими, а параметрические - косвенными с электрическим вспомогательным сигналом (например, в терморезисторе, ФВ – температура рабочей среды, изменяет проводимость ЧЭ и вспомогательный сигнал возбуждения изменяет свои параметры, обеспечивая измерение ФВ).

Виды выходных сигналов аналоговых датчиков (измерительных преобразователей):

1) естественный – на выходе ЧЭ (обычно потенциальный);

2) унифицированный -изменяющийся в определенных пределах, независимо от вида измеряемой ФВ, метода и диапазона ее измерения (обеспечивает унификацию СА);

3) информационный – цифровое значение ФВ предназначенное для коммуникационной передачи или дальнейшего использования (обработки)

Виды унифицированных выходных сигналов по ГСП:

· постоянного тока: 0…5мА, (0)4…20мА, ±5 мА, 0…10В, ± 10В, 0…20В, 0…1000В

· переменного тока: 0…2В, ± 1В, 2…4КГц, 4…8КГц,

В ПА используются также ненормализованные унифицированные сигналы с другими параметрами.

2.3. Общая структурная схема измерительных датчиков

Обобщенная структурная схема датчика (Рис.2.3):

 

Рис.2.3.Обобщенная структурная схема датчика

Общий состав датчика:

1) ЧЭ;

2) измерительные преобразователи (в первичных датчиках – отсутствуют);

3) интерфейсы передачи измерительной информации;

4) интерфейс электропитания (в первичных датчиках – отсутствует);

5) механический интерфейс установки и крепления датчика на объекте измерения;

6) средства защиты ЧЭ от воздействия рабочей среды;

7) средства защиты ИП от воздействия окружающей среды.

Интерфейсы передачи измерительной информации – соединители, могут быть:

1) электрическими;

2) информационными.

Любой из них может отсутствовать. При наличии электрического интерфейса он, обычно, интегрируется с интерфейсом электропитания постоянным током.

Электрические соединители могут быть:

1) клеммные (наиболее распространенные);

2) разъемные.

Тип информационного соединителя - определяется требованиями используемого коммуникационного интерфейса.

Обычным средством защиты ЧЭ от неблагоприятного воздействия рабочей среды является соответствующая его изоляция в виде прочного корпуса или специального покрытия. Выбор формы и размеров корпуса позволяет устанавливать ЧЭ в нужное место оборудования.

Обычным средством защиты ЭИ от внешней среды является прочный корпус с высокой степенью защиты от пыли и влажности, и с высоким уровнем антикоррозионной защиты, за счет соответствующих покрытий.

Механический интерфейс обеспечивает установку датчика на оборудовании в месте, необходимым для измерения, и удобном для текущего обслуживания датчика.

2.4. Датчики измерительные. Классификация по глубине преобразования

Виды измерительных датчиков по глубине преобразования:

1) естественный (первичный),

2) электронный,

3) микропроцессорный (микроконтроллерный):

4) интеллектуальный.

Дополнительные технические возможности датчиков:

1) средства визуализации выходных сигналов (цифровой жидкостно-кристаллический индикатор (ЖКИ), символьный или графический дисплей);

2) средства визуализации состояния работоспособности датчика (светосигнальный элемент),

3) средства контроля и сигнализации процесса (для функциональных реле).