Датчики, элементы измерения и контроля

Контрольно-измерительные средства для прямоходных механизмов

Применение различных датчиков для контроля работы механизмов находит все более широкое применение. Предпосылки развития данных устройств является лучший контроль обеспечит лучшее качество продукции.

В современном оборудовании контролируется широкий ряд параметров: температура в различных составяющих оборудования, зазоры механических передач, усилия и упругие моменты в механизмах, износ оборудования и многое многое другое.

В качестве контрольно - измерительных средств применяются датчики, непосредственно воспринимающие изменения контролируемого параметра и преобразующие эти изменения в механические или электрические сигналы.

Датчики обычно представляют собой единое изделие (датчик и преобразователь), имеющее на выходе электрические унифицированные сигналы - релейные, непрерывные токовые, непрерывные напряжения  постоянного или переменного токов, непрерывные частотные и т.п.

Датчики различаются по точности, линейности, разрешающей способности, частотной характеристике, характеристике шума, входному и выходному импедансу и многим другим параметрам. 

По структуре построения и в зависимости от способа соединения элементов датчики могут быть с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные.

Также они различаются по типу параметра, который регистрируют или контролируют.

Датчики электромагнитных переменных

Датчики тока и напряжения

Сигналы, пропорциональные току, снимаются с шунтов, трансформаторов тока. Преобразованные сигналы датчиков используются также для измерения ЭДС, мощности, потока и т. д.

В этом качестве широко используются преобразователи, основанные на эффекте Холла, которые строятся в виде магнитопроводов с зазором. Магнитопровод из мягкого материала намагничивается при помощи обмотки по которой течет измеряемый ток. В зазоре устанавливается датчик Холла, питаемый от стабилизированного источника тока.

В качестве датчиков тока в релейно-контакторых разомкнутых схемах используются главным образом реле тока. Катушки, изготовленные из толстого провода с малым числом витков, непосредственно включаются в сеть контролируемого тока двигателя.

При достижении этим током уровней срабатывания или отпускания происходит коммутация контатков реле тока, которые производят соответствующие переключения в схемах управления двигателем.

В качестве датчиков тока этого типа применяют реле минимального и максимального токов.

Для измерения переменных токов в качестве датчиков тока применяются трансформаторы тока, что позволяет также осуществить потенциальное разделение силовых цепей и цепей управления.

Для измерения напряжения переменного тока используются трансформаторы напряжения. 

Датчики потока и магнитной индукции

Для контроля указанных параметров применяют также датчики Холла. Эти датчики позволяют измерять постоянные и переменные магнитные поля

Датчики механических переменных

Датчики параметров движения

Предназначены для получения информации о линейных и угловых перемещениях, скоростях, ускорениях, силе и
моментах.

Основные требования, применяемые к датчикам перемещений: высокая точность измерения и контроля перемещений, быстродействие, помехоустойчивость, малые нелинейные 

искажения.

По физическому принципу действия датчики можно разделить:

• фотоэлектрические (оптоэлектронные) - использующие эффект периодического изменения освещенности (датчики снабжаются каналом нулевого импульса - началом отсчета, что позволяет при наличии счетчика использовать его как датчик положений).

Они обладают наибольшей точностью среди существующих преобразователей, наивысшей разрешающей способностью, отличаются высокой чувствительностью и быстродействием, простотой и надежностью конструкции, компактностью и т.п.

К недостаткам фотоэлектрических датчиков следует отнести чувствительность к посторонним источникам излучения, недостаточную стабильность и надежность.

• электростатические - емкостные (основанные на эффекте периодического измерения емкости) и пьезоэлектрические (основанные на эффекте возникновения электрического заряда на поверхности некоторых материалов в момент 

деформации)

• электромагнитные (основанные, например, на эффекте изменения индуктивности или взаимоиндуктивности)

Электромагнитные индуктивные датчики уступают емкостным по чувствительности и линейности характеристики, но
превосходят их в условиях производства по выходной мощности и надежности.

• электроаккуастические (основанные, например, на эффекте изменения энергии поверхностной аккустической волны);
• реостатные (использующие эффект линейного изменения сопротивления);
• лазерные (интерферометрические)

Тахогенераторы постоянного тока серии и переменного тока применяются в регулируемых электроприводах средней и большой мощности при невысокой точности регулирования скорости. Они обладают низкими оборотными и полюсными пульсациями и высокой линейностью и стабильностью характеристик.

Датчики скорости

Электромеханическое реле контроля скорости - работает по принципу асинхронного двигателя. Реле контроля скорости удобно использовать при автоматизации процесса торможения, когда требуется обеспечивать отключение двигателя от сети после снижения его скорости до нуля.

Датчики скорости (тахогенераторы) предназначены для изменения скорости вращения вала двигателя или исполнительного органа рабочей машины.

По своему устройству бывают:

-тахогенераторы постоянного тока - с возбуждением от независимого источника или постоянного магнита

- тахогенераторы переменного тока - имеют две обмотки, обмотка возбуждения подключается к питающей сети и служит для создания магнитного потока тахогенератора, другая - измерительная обмотка - напряжение на выводах этой обмотки пропорционально скорости вращения тахогенератора.

- синхронные тахогенераторы - однофазный синхронный генератор малой мощности. Он имеет ротор в виде многополюсного постоянного магнита. При его вращении созданное им магнитное поле пересекает витки обмотки статора, создавай в ней ЭДС, пропорциональную скорости вращения. Тем самым выходное напряжение на выводах обнотки статора оказывается пропорциональным скорости ротора.

- импульсный индуктивный датчик
в конструкции используется усилитель, который усиливыет поступающее сигналы ЭДС и использует последовательность выходных прямоугольных импульсов, частота которых пропорциональна измеряемой скорости. Затем эти импульсы преобразуются в двоичное число путем их подсчета за определенный интервал времени с запоминанием полученного числа на время последующего интервала. 

При необходимости этот переменный по частоте сигнал может быть преобразован в напряжение постоянного тока. для
использования в аналоговых схемах

Датчики положения

- путевые и конечные выключатели релейного действия (контактные и бесконтактные) применяются при получении сигналов при достижении рабоичм органом привода определенных положений, которые затем поступают в цепи управления защиты и синхронизации.

- вращающиеся поворотные трансформаторы
Вращающиеся путевые и конечные выключатели имеют привод от валика, соединяемого с валом двигателя непосредственно или через редутор.

На валике расположены кулачковые шайбы, воздействующие на контакторную систему выключателя. При вращении вала двигателя в определенном его положении кулачковые шайбы переключают контакты выключателя.

- рычажные конечные и путевые выключатели имеют привод своей контактной системы от поворотного рычага, на который оказывает воздействие движущая часть электропривода или исполнительного органа.  Возврат рычага и контактов в исходное положение осуществляется под действием пружины.

- нажимные выключатели - переключение контактов происходит при нажатии на шток выключателя, возврат которого в исходное положение осуществляется под действием пружины. В качестве нажимных выключателей применение находят также микропереключатели, у которых при воздействии на шток переключается упругий контакт.

В замкнутых системах электропривода применяются аналоговые и цифровые датчики положения.

- вращающиеся (поворотные) трансформаторы являются аналоговыми датчиками положения (угла поворота) вала двигателя или рабочей машины и представляют собой индукционныю электрическую машину малой мощности.

- сельсины широко применяется в замкнутых схемах электропривода в качестве аналогового датчика положения. Он представляет собой электрическую машину малой мощности, которая обеспечивает преобразование угла поворота вала в электрический сигнал.

- магнесин - бесконтактный электромеханический датчик поворота, имеет более простое по сравнению с сельсином и вращающимся трансформатором устройство, меньшие массу и габариты и характеризуется более высокой точностью измерения.

- индуктосин - используется для измерения линейных перемещений механических элементов привода или исполнительных органов рабочих машин. По своему устройству напоминает линейный асинхронный двигатель и имеет плоский статор и подвижный ротор. Первичная обмотка, расположенная на статоре, подключается к однофазной сети переменного тока, при этом на вторичной обмотке при перемещении ротора будет появляться ЭДС, зависящая от его положения.
Точность индуктосинов может достигать нескольких микрон.

- цифровой фотоэлектрический датчик состоит из первичного элемента, представляющего собой кодирующий диск, соединяемый с валом двигателя или рабочей машины. Он имеет несколько концентрических колец, каждое из которых состоит из сегментообразных прозрачных и непрозрачных участков. Колька с наименьшим радиусов, расположенные ближе к оси, имеет два участка - прозрачный и непрозрачный - и относится к старшему разряду выходного числа. В каждом следующем от центра кольце число участков удваивается, что соответствует в двоичном представлении чисел
переходу к следующему разряду.

Диск на рисунке имеет три таких кольца:

Получение электрического сигнала производится фотоэлектрическим способом. Для этого по одну сторону диска устанавливаются по числу колец источники света - светодиоды, а по другу сторону приемники света - фотодиоды.

Когда между ними находится прозрачный участок диска, светодиод освещает фотодиод, электрическое сопротивление последнего резко изменяется, что и является входным воздейсвием для схемы датчика положения.

Любому положению кодового диска в пределах 360 градусов. (одного оборота) соответствует однозначное сочетание нулей и единиц на выходах усилителей, т.е. опеределенное числовое выражение угла.

Для повышения точности цифровых датчиков положения применяются несколько кодовых дисков, соединяемых с валом двигателя через редуктор.

Кроме фотоэлектрических первичных элементов в датчиках положения используются индуктивные датчики с индуктосинами, позволяющие получать более высокие по точности характеристики.

Датчики угла

Под термином "датчики угла" понимаются устройства, преобразующие угловую координату в электрическое напряжение. Это напряжение используется в системах автоматического электропривода как сигнал обратной связи по углу или как управляющий сигнал в задающих устройствах.

Датчик угла поворота - устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в
электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Они имеют множество применений и широко применяются в промышленности, в роботостроении, в машиностроении.
Они подразделяются: 

• по способу выдачи информации на накапливающие (инкрементные) и абсолютные (позиционные);
• по принципу действия на оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические;
• по допустимому углу поворота вала - с ограниченным и неограниченным диапазоном работы.

Датчик угла поворота также называется энкодером.

Датчики угла находят применение в следящих системах для измерения угла поворота исполнительного вала. Задание на движение системы может выполняться также с помощью датчика угла, координатой которого является угол поворота задающей оси.

Разность сигналов этих двух датчиков, так называемое "рассогласование", подается как управляющий сигнал на вход системы. В этом случае оба датчика могут рассматриваться объединенно как "датчик рассогласования". Задание на угловое перемещение может формироваться и без датчика угла с командной осью.

Для датчиков угла и рассогласования широкое применение нашли сельсины и вращающиеся трансформаторы.

Сельсин небольшая электрическая машина переменного тока, имеющая две обмотки: однофазную - обмотку возбуждения и трехфазную обмотку синхронизации.

По конструктивному признаку сельсины разделяются на два основных типа: контактные и бесконтактные.

У первого - обмотка возбуждения расположена на роторе, обмотка синхронизации - на статоре.
У второго - обмотка ротора получает питание от вращабщейся совместно с ротором вторичной обмотки
кольцевого трансформатора возбуждения с неподвижной первичной обмоткой.

Датчики линейного перемещения - работают по магнитострикционному принципу (магнитострикция - изменение состояния намагниченности тела.)

Датчики усилия

В этих датчиках применяют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

Магнитострикция (от лат. strictio — сжатие, натягивание) — явление, заключающееся в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объём и линейные размеры изменяются.

Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на явлении пьезоэлектричества, состоящего в возникновении (или в изменении) электрической поляризации в некоторых анизотропных диэлектриках.

Датчики деформации - в их качестве применяют тензорезисторные преобразователи. Тензорезисторные преобразователь представляет собой проовдник, изменяющий свое сопротивление придеформации растяжения или сжатия. Эти датчики приклеивают к объекту и они деформируются вместе с ним, они обладают малым размером и выдают весьма точные измерения.

Могут измерять также некоторые физические величины - давление, ускорение, момент сил.

Акселерометры - приборы, представляющие собой измерители ускорения, широко применяются в промышленности при оценке чувствительности изделий к ударам и вибрациям

Датчики технологических переменных

Датчики температуры

Выбор такого датчика определяется диапазоном изменения измеряемой температуры и условиями эксплуатации. Для измерения температуры используют термопары, термосопротивления, полупроводниковые датчики и пирометры.

Термопары - (термоэлектрический преобразователь) - используются для измерения температуры, представляет собой пару проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект.

Термометры сопротивления - они используют эффект изменения электрического сопротивления проводников при изменении температуры. В промышленности применяют платиновые термометры.

Термисторы - тип термометров сопротивления - получают спеканием смесей металлических сплавов, при этом образуется керамика с большим отрицательным температурным коэффициентом.
Температурный диапазон металло-пленочных сопротивлений по сравнению с термисторами шире, но линейность выше, однако термисторы имеют примернов 10 раз большую чувсвительность.

В случаях, когда возможно только визуальное наблюдение исследуемого процесса для измерения температуры применяют оптические пирометры. В этом случае диапазон измеряемых температур ограничивается диапазоном спектральной чувсвительности датчика.

Одним из современных методов измерения температуры является метод, основанный на использовании транзистора со смещением базового перехода в прямом направлении. В диапазоне рабочих температур +- 100 С погрешность измерения составляет всего 0,1 С.

Датчики давления и расходомеры

Раньше для измерения давления и расхода жидкости или газа использовались потенциометрические приборы.  Низкая стоимость и высокий уровень выходного напряжения обеспечили высокий уровень выходного напряжения обеспечили широкое применение этих приборов в простых схемах. Однако у них есть недостатки - высокая чувсвительность к ударам и вибрациям, а также значительные погрешности, обусловленные механической конструкцией, приводящие к нелинейности передаточных характеристик, что ограничивает применение приборов такого типа.

Для устранения недостатков, свойственных потенциометрическим датчикам давления. были разработаны бесконтактные тензометры - приборы, обеспечивающие существенное увеличение погрешности и стабильности и имеющие типовую погрешность 0,5% полой измерительной шкалы.
Их уровень выходного напряжения находится в милливольтном диапазоне, поэтому после прибора обычноставят предусилитель. В отличие от других бесконтактных датчиков полупроводниковые тензометры располагают
непосредственно на диафрагме, воспринимающей давление, что устраняет механические соединительные детали. Их частотный диапазон и чувствительность к вибрациям такие же как у бесконтактных.

Расход жидкости измеряют датчиками перепада давления или механическими компактными датчиками (например, турбинами).

Дифференциальные маномерты - дифманометры-различных систем используют для измерения технологических параметров расхода жидкости, газа или пара, перепада давления, избыточного давления, разреженя (тяги), уровня жидкости в открытых резервуарах или резервуарах под давлением.

К расходомерам с механическим контактом относятся: турбинные и гироскопические преобразователи, которые измеряют скорость потока по угловому моменту; охлаждаемые термоэлектрические преобразователи скорости; датчики, измеряющие скорость по электрическому сопротивлению, а также датчики, измеряющие скорость потока с использованием бета-излучения.

Датчики уровня.

Для измерения уровня жидкости и отслеживания его изменения широко применяются поплавковые датчики, дифференциальные датчики давления, ультразвуковые и радиактивные.

Поплавковые датчики отличаются простотой и разнообразием методов преобразования выявленных изменений уровня в показания отчетного устройства. Но для вязких жидностей эти датчики не подходят.

Если известна плотность жидкости ее уровень можно измерить дифференциальным датчиком давления - дифманометром, который должен фиксировать разность гидростатического давления между уровнем поверхности и плоскостью дна. Высота столба жидности в этом случае высота столба жидкости определяется соотношением разницы гидростатического давления к плотности.

По принципу действия измерительной системы дифманометры делятся на: поплавковые, кольцевые, колокольные, мембранные и сильфонные.

Ультразвуковые датчики могут входить в состав локационных установок, которые особенно удобны при измерении уровня жидностей в высоких цистернах, а также в состав устройств, измеряющих дискретные значения уровней.

Уровень тяжелых смесей, таких как цемент и бумажная масса, лучше всего измерять радиоактивными датчиками, устанавливаемыми аналогично ультрозвуковым устройствам дискретного измерения уровня.

Также к ним относятся датчики толщины, полосового материала (металла, бумаги, пластика) влажности материала, массы и других переменных.

Датчики времени

При посторении релейно-контакторных схем управления, использующих принцип времени. в качестве датчиков используются различные реле времени - электромагнитные, моторные, электронные, анкерные, механические.

В полупроводниковых схемах управления применяются устройства точного отчета временных интервалов.

- электромагнитное реле ( с электромагнитным замедлением) применяются при постоянном токе.
Помимо постоянной обмотки эти реле имеют дополнительную короткозамкнутую обмотку, состоящую из медной гильзы. При нарастании основного магнитного потока он создает ток в дополнительной обмотке, который препятствует нарастанию основного потока.
В итоге результирующий магнитный поток увеличивается медленнее, время трогания якоря уменьшается, чем обеспечивается выдержка времени при включении.

Этот вид реле времени обеспечивает выдержку времени при срабатывании от 0,07 с до 0,11 с, при отключении от 0,5 с до 1,4 с.

- моторное (электромеханическое реле времени) -
в своей основе имеет специальный низкоскоростной двигатель и редуктор с большим передаточным числом, на выходном валу которого устанавливается рычаг, начальное положение которого определяется по шкале установок времен реле.
Начало отсчета времени соответствует подаче напряжения на двигатель, который включившись, начинает вращаться и медленно поворачивать рычаг на валу редуктора. Через заданное время, определяемое начальным положением рычага, он доходит до вспомогательных контактов и замыкает их. Это приводит к включению выходного реле, которое одним из своих контактов отключает двигатель. На этом отсчет выдержки времени завершается. Такие реле обеспечивают выдержку времени до нескольких минут.

- электронные реле времени обычно в своих схемах используют различные полупроводниковые элементы (чаще всего транзисторные) и конденсаторы, время разряда или заряда а также различные аналоговые и цифровые схемотехнические решения. Как правило это интегральные цепи или цифровые логические устройства (таймеры). Встречаются также реле времени на основе элементов микропроцессорной техники.

- пневматические реле времени

обеспечивают выдержку времени за счет работы воздушного (пневматического) замедлителя (демпфера), управляемого с помощью электромагнита.

При подаче на электромагнит напряжения питания (начало отсчета времени) начинается процесс перекачки воздуха из одной камеры реле в другую через дроссельное отверстие. Величина этого отверстия, а тем самым скорость перекачки и выдержка времени реле, регулируется с помощью иглы, положение которой устанавливается посредством регулировочной гайки. В конце процесса перекачки воздуха через отверстие происходит переключение установленного реле микропереключателя, что определяет конец отчета выдержки времени.

- механические реле времени имеет замедлитель в виде анкерного механизма, управляемого электромагнитом.

Реле времени с анкерным или часовым механизмом работает за счёт пружины, которая заводится под действием электромагнита, и контакты реле срабатывают только после того, как анкерный механизм отсчитает время, выставленное на шкале. Разновидность подобных реле используется в мощных (на токи в сотни и тысячи ампер) автоматических выключателях на напряжение 0,4-10 кВ. Составные части такого реле — механизм замедления и токовая обмотка, взводящая его пружину. Скорость хода механизма зависит от затяжки пружины, то есть от тока в обмотке, по окончании хода механизм вызывает отключение автомата, тем самым выполняя функции тепловой защиты от перегрузок, не нуждаясь при этом в коррекции по температуре окружающего воздуха.