Датчики технологічних параметрів

Існує величезна кількість найрізноманітніших датчиків. У них використовуються різні фізичні явища і залежності між різними фізичними величинами. Датчики можна об'єднати в групи (класифікувати) за загальними для кожної групи ознаками.

Можна, наприклад, розглянути окремо датчики, засновані на електромагнітних, теплових, оптичних і інших явищах, а можна згрупувати їх по виду перетворюваних технологічних параметрів: переміщення, швидкість, сила, температура та ін. Тому в назві датчиків згадуються зазвичай два параметра: вхідний технологічний параметр (наприклад, переміщення) і вихідний параметр, визначений принципом перетворення (наприклад, індуктивність). Повна назва — індукційний датчик переміщення.

Із-за великої різноманітності конструкцій датчиків, які використовуються в різних виробничих галузях, розглянемо тільки принципи роботи датчиків, згрупованих по виду перетворюємих технологічних параметрів.

При виконанні цих операцій вручну робітники користуються різними вимірювальними інструментами. Автоматизація технологічних процесів вимагає застосування датчиків для контролю і виміру усіх параметрів, що впливають на процес. Розглянемо, як датчики перетворять в електричний сигнал переміщення, швидкість, силу, тиск, температуру, як вони визначать стан і кількість об'єктів, а також оцінять основні характеристики цих датчиків

Первинні механічні перетворювачі.Ми розглядаємо датчики, що формують електричні сигнали, але бувають ситуації, коли застосувати датчик, що безпосередньо перетворює який-небудь неелектричний параметр в електричний сигнал, неможливо або недоцільно. Тоді використовують проміжний пристрій, який перетворює цей параметр в іншій, теж неелектричний, але зручніший для подальшого перетворення в електричний сигнал.

Проміжні перетворювачі лінійних переміщень. Лінійне переміщення в діапазоні від доль міліметра до десятків сантиметрів досить просто перетворяться в електричні сигнали датчиками переміщення. Проте точне перетворення малих переміщень часто обмежене вузьким робочим діапазоном або низькою чутливістю цих датчиків, а при великих переміщеннях розміри датчиків теж виявляються великими.

В той же час існують прості механічні перетворювачі лінійного переміщення в кутове з високою чутливістю і лінійною функцією перетворення. Вони використовуються, наприклад, в індикаторах малих переміщень годинникового типу.

Кутове переміщення (обертання) має важливу властивість: збільшення кута повороту до будь-яких значень не веде до збільшення розмірів датчика, воно не пов'язане з розмірами обертаючого тіла. Кут повороту обмежений тільки конструкцією перетворювача і може бути як дуже малим, так і дуже великим при незмінних розмірах пристрою.

У перетворювачах лінійного переміщення в кутове є шток із зубчастою лінійкою, що контактує із зубчастим колесом (рисунок 2). При переміщенні штока відбувається поворот зубчастого колеса на кут, пропорційний переміщенню. У індикаторах годинного типу використовують ланцюжок сполучених одне з одним зубчастих коліс з різною кількістю зубів, завдяки чому навіть дуже мале переміщення (наприклад, на декілька сотих міліметрів) призводить до повороту останнього в ланцюжку зубчастого колеса на кут в десятки градусів.

Рисунок 2 - Перетворювач лінійного переміщення

Аналогічно працює перетворювач переміщення комп’ютерної миші, але в ній замість штока використовується кулька, котра при переміщенні по поверхні обертає притиснуту до нього вісь оптичного датчика кута повороту.

Такі перетворювачі при малих розмірах мають дуже широкий робочий діапазон, в якому зберігається одна і та ж невелика абсолютна похибка (менше 0,01 мм в індикаторах годинникового типу). Це дозволяє використовувати один перетворювач для точного виміру як дуже малих, так і дуже великих переміщень.

Проміжні перетворювачі сили і тиску. Сила і тиск здатні деформувати тіла, тобто змінювати їх форму і розміри

Перетворювачем тиску рідини або газу може служити порожниста посудина з розташованою в торці мембраною, яка відчуває тиск по усій своїй поверхні (рисунок 3, а). Результатом дії буде прогин мембрани, тобто деформація її поверхні, яка потім перетвориться в електричний сигнал датчиком деформації або переміщення. Елементом, що деформується залежно від тиску, можуть бути і гофровані стінки посудини (рисунок 3, б). В цьому випадку тиск призводить до розтяжіння стінок і лінійному переміщенню торця сильфону. Прості перетворювачі сили такого типу — пружина або стрижень, до яких прикладена сила (рисунок 3,в).

Рисунок 3 - Перетворювачі тиску: а — мембранний; б — сильфон; в — пружинний

Проміжні перетворювачі температури. Для виміру температури нерідко використовують пристрої, що перетворюють її в лінійне або кутове переміщення. Для цього застосовують плоскі або спіральні пружини, виготовлені з біметалу (рисунок 4).

Біметал — це двошаровий лист, шари якого складаються з різко температурними металами, що відрізняються, коефіцієнтами розширення. При збільшенні температури один з шарів подовжується більше, ніж інший. Оскільки шари спаяні, відбувається вигин пластини або закручування спіралі. Вхідний параметр цього перетворювача — температура, вихідна величина — лінійне або кутове переміщення. При цьому деформація виявляється пропорційною зміні температури, тобто функція перетворення практично лінійна. Такий перетворювач використовується, наприклад, в регуляторі температури електричної праски або в якості покажчика температури в духовці газової плити.

Розглянуті перетворювачі сили, тиску і температури прості, мають малі розміри, похибка перетворення складає зазвичай близько 1 %.

Рисунок 4 – Біметалічні перетворювачі: а – плоский; б - спіральний