Датчики. Основні характеристики датчиків.

Практично усі автоматичні системи використовують датчики, що формують на виході електричні сигнали. Це пов'язано з тим. що:

- електричні сигнали можуть бути легко передані на значні відстані, а датчики можуть розташовуватися у будь-яких важкодоступних місцях технологічного устаткування.

- електричні сигнали можуть бути легко посилені в тисячі разів, тобто в тисячі разів може бути підвищена при необхідності чутливість апаратури виміру значень технологічних параметрів;

- електричні сигнали мають малу інерційність, що дозволяє стежити за параметрами, що швидко змінюються в часі, і забезпечувати високу швидкість роботи автоматичних систем в реальному часі;

- електричні сигнали найбільш зручні для роботи з більшістю широко поширених технічних засобів: підсилювачами, комутаторами, електричними двигунами, електромагнітними реле і іншими, у тому числі з ЕОМ.

Датчики, що перетворюють неелектричні параметри в електрорушійну силу (ЕРС), електричну напругу або струм, називаються генераторними, або активними. Вони не вимагають для своєї роботи зовнішнього джерела електричної енергії, оскільки виробляють цю енергію самі, точніше, використовують для формування вихідного сигналу енергію пристроїв або процесів, чиї параметри вони перетворять в сигнали. Це може бути механічна, світлова, теплова або інша енергія, що перетворюється датчиками в електричну.

У інших датчиках зміна неелектричного параметра, що сприймається датчиком, призводить до зміни того або іншого електричного параметра самого датчика (його опору, електроємності, індуктивності і так далі). Такі датчики називаються параметричними, або пасивними. Вони мають потребу для формування вихідного сигналу в зовнішньому джерелі електричної енергії.

Основними характеристиками датчиків, що визначають їх придатність для тих або інших цілей, є:

- функція перетворення;

- чутливість;

- похибка;

- нелінійність;

- інерційність та ін.

Будь-які характеристики застосовні тільки в обмеженому діапазоні дій на датчик (наприклад, датчик температури не може нормально працювати в умовах, при яких він сам чи не плавиться від жари). Діапазон зміни перетворюваних параметрів, в якій для датчика гарантуються значення його характеристик, називається робочим діапазоном датчика.

Функція перетворення — це залежність між вихідною величиною Хвих датчика і перетворюваним параметром Хвх. Її представляють або формулою, або графіком. Для аналогових датчиків найбільш зручна пропорційна залежність між Хвих і Хвх:

де К - постійний коефіцієнт

Графік цієї залежності — пряма лінія, тому таку функцію перетворення називають лінійною. У більшості датчиків в широкому діапазоні зміни вхідних параметрів функція перетворення нелінійна, тому доводиться вживати заходи для її лінеаризації (тобто для отримання пропорційної залежності між Хвих і Хвх) хоч би в межах робочого діапазону, наприклад, змінюючи конструкцію датчика. Інший спосіб працювати з нелінійною характеристикою — занести її в пам'ять ЕОМ.

Чутливість датчика S — це величина, що показує, як змінюється вихідний сигнал Хвих датчика при зміні вхідного параметра Хвх на одиницю (наприклад, на скільки Ом зміниться опір датчика (вихідна величина) при зміні температури (вхідна величина) на 1 °С). Чутливість дорівнює відношенню зміни Хвих вихідної величини до зміни DХвх вхідної величини :

Наприклад, при зміні температури на 10 у одного датчика опір змінився на 100 Ом, а у другого — на 300 Ом. Який з двох датчиків має більшу чутливість? Звичайно, другий, у якого 5 = 300:10 = 30 (Ом/К).

Похибка — це відхилення реального значення вихідної величини від ідеального, яке має бути на виході датчика при цьому значенні вхідного параметра. Розрізняють абсолютну і відносну похибки.

Абсолютна похибка — це різниця між реальним і ідеальним значеннями; вона вимірюється в тих же одиницях, що і вихідна величина. Наприклад, ідеальна величина опору датчика в процесі перетворення заданого значення температури має дорівнювати 100 Ом, а реальний його опір при цій температурі опинився 105 Ом. Таким чином, абсолютна похибка складає:

Проте абсолютна похибка не може служити мірою точності. Дійсно, якщо ми вимірюємо температуру близько 100 °С з абсолютною похибкою 1 °С, то помилка складає 1 %, що непогано. Але якщо з тією ж абсолютною похибкою 1 °С ми вимірюватимемо температуру близько 5°С, то помилка складе вже 20% ) тому вводять поняття відносної похибки — це відношення абсолютної похибки до ідеального значення вихідної величини, %:

Таблиця 1 – Залежність між температурою та опором датчика.

Ще повніше уявлення про точність датчика дає зведена похибка, яка є відношенням максимальної абсолютної похибки до максимального для робочого діапазону цього датчика значенню вихідній величини, %:

Значення цієї похибки визначає клас точності датчика, зазвичай вказаний в його паспорті.

Нелінійність — це відхилення функції перетворення датчика від лінійної. Якщо нелінійність велика, то для зменшення пов'язаної з нею похибки в ЕОМ, яка оброблює сигнал датчика, вводять спеціальну таблицю поправок (градуювальну криву).

Наприклад, фрагмент індивідуальної характеристики датчика температури ТСАД2-СР — залежність між температурою Т і опором датчика К — приведений в таблицю. 4.1. Саме з такою точністю дані вносяться в пам'ять ЕОМ.

Інерційність характеризує здатність датчика здійснювати перетворення швидкозмінних вхідних параметрів. Якщо датчик не встигає за зміною перетворюваного параметра, то з'являється додаткова похибка, яка називається динамічною.

Вона тим вище, чим більше швидкість зміни перетворюємого параметра.

Важливою характеристикою датчиків в процесі експлуатації є взаємозамінюваність. Якщо датчики взаємозамінні, то при виході датчика з ладу досить замінити його іншим датчиком того ж типу, більше ніяких змін в системі контролю і керування робити не треба. Інакше одночасно із заміною датчика потрібно, наприклад, замінювати градуювальну таблицю в ЕОМ і так далі.

Серед інших характеристик датчиків слід зазначити технологічність, стабільність, відсутність гістерезису (тобто залежності вихідної величини від напряму зміни вхідного параметра).

Оскільки датчики найперші пристрої в ланцюзі перетворення значень параметрів в сигнали для виводу операторові або дії на устаткування технологічного процесу, їх часто називають первинними перетворювачами.