Чувствительные (измерительные или воспринимающие) элементы и датчики

Чувствительный элемент создает физическую величину, пропорциональную контролируемому параметру какого-либо процесса и удобную для последующего преобразования в электрический или пневматический сигнал. Чувствительный элемент, создающий унифицированный электрический или пневматический сигнал, называют датчиком. Датчики служат для введения в регулятор информации о регулируемой величине и внешних воздействиях.

В качестве воспринимающих элементов используются мембраны, сильфоны, трубчатые пружины, центробежные тахометры, терморезисторы и т.д.

По характеру выходной величины датчики бывают с механическим и электрическим выходом. В динамическом отношении датчики представляют собой пропорциональные или апериодические звенья. Датчики с упругими элементами являются колебательными звеньями. Датчики с неэлектрическим выходом, имеющие длинные линии связи, обладают чистым запаздыванием.

Наибольшее распространение получили следующие датчики и чувствительные элементы

1. Датчики сопротивления. Преобразуют усилие, деформацию, механическое перемещение или угол поворота в изменение величины электрического сопротивления. Различают датчики сопротивления: реостатные (потенциометрические), тензометрические и угольные (контактные). В реостатных датчиках при перемещении подвижного контакта изменяется сопротивление между крайними точками реостата и движком. Реостатные датчики бывают проволочные, пленочные и жидкостные.

Тензодатчики преобразуют деформацию твердых тел в изменение сопротивления. Они бывают проволочные и фольговые. Устройства, в которых воспринимающим элементом служит полупроводниковое сопротивление, изготовленное из смеси угольного порошка, графита или сажи с бакелитовым лаком, называют тензолитовыми датчиками (тензолитами).

Контактными датчиками называют те, у которых выходное сопротивление изменяется под воздействием приложенной силы, в результате изменения переходного сопротивления между графитовыми шайбами, образующими угольный столб. В динамическом отношении датчики сопротивления представляют собой пропорциональные звенья.

2. Индуктивные датчики. Их принцип действия основан на изменении индуктивности или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником в зависимости от величины магнитного сопротивления магнитопровода датчика, определяемой изменением входной величины (линейного или углового перемещения, усилия). Различают индуктивные датчики с переменной шириной зазора, с переменной площадью зазора, соленоидные, трансформаторные, магнитоупругие. В динамическом отношении датчики эквивалентны пропорциональным звеньям.

3. Емкостные датчики. Являются преобразователями неэлектри-ческих величин (усилия, перемещения, уровня жидкости, влажности, состава и т.п.) в изменение электрической емкости. Они практически безынерционны.

4. Радиационные датчики. В основу их работы положено воздействие входной величины на интенсивность потока лучистой энергии (обычно -, -, - лучей). Радиационный датчик состоит из излучателя, в котором находится радиоактивное вещество (кобольт, таллий, стронций и др.), и приемника. Приемником служит ионизационная камера, счетчик Гейгера-Мюллера или сцинтилляционный счетчик. Радиационные датчики наиболее широко используются при контроле толщины материала и его плотности.

5. Измерители светового потока. Преобразуют световой поток в электрический сигнал. Для этой цели используются оптико-электрические преобразователи. Различают преобразователи: с внешним фотоэффектом (фотоэлементы), с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и вентильные, с p-n переходом (фотодиоды). В динамическом отношении фоторезисторы и фотодиоды представляют собой апериодические звенья.

6. Измерители давления. В САР используются устройства: механические (мембраны, сильфоны, трубчатые пружины, колокола, поршневые устройства); электрические (тензодатчики, тензолиты, датчики контактного сопротивления, пьезорезисторы) и магнитные (магнитоупругие). В динамическом отношении эти датчики являются в основном пропорциональными или апериодическими звеньями.

7. Измерители уровня жидкостей. Широко применяются поплав-ковые воспринимающие элементы постоянного и переменного погружения. Поплавковые измерители уровня в динамическом отношении эквивалентны колебательным звеньям. Применяются также измерители уровня: грузовые, гидростатические, манометрические мембранные и с пневматической трубкой, электролитические.

8. Измерители расхода жидкости и газов. Измеряют расход в массовых и объёмных единицах. Объёмный расход измеряют по величине переменного перепада давления до и после суживающего устройства с постоянной площадью или, при постоянном перепаде давлений, по величине площади суживающего устройства. Объёмный расход жидкости определяют и по скорости её движения с помощью трубки скоростного напора (трубки Пито). Для измерения расхода электропроводящих жидкостей применяют электромагнитные (индукционные) измерители расхода. Измерители расхода переменного перепада и индукционные в динамическом отношении представляют собой пропорциональные звенья, а измерители постоянного перепада - колебательные звенья.

9. Измерители момента вращения. В условиях непрерывного вращения валов измерения проводятся по методу последовательного преобразования: момент вращения в усилие или в угол поворота (первичное преобразование), а затем – в электрический сигнал (вторичное преобразование) с помощью индуктивных, емкостных и других датчиков.

10. Измерители углов поворота и рассогласования. Наряду с дат-чиками сопротивления, индуктивности и емкости используются различные электромашинные устройства – сельсины, магнесины, поворотные трансформаторы. Сельсины работают в паре: сельсин - датчик, связанный с входным валом, и сельсин – приемник, соединенный с выходным валом. Электромашинные измерители угла поворота считаются пропорциональными звеньями.

11. Измерители угловой скорости. Используются механические (центробежные тахометры, гироскопы), гидравлические, индукционные, частотные (оптические, радиационные), электрические и электромашинные устройства (тахогенераторы постоянного и переменного тока). В динамическом отношении измерители угловой скорости являются колебательными или апериодическими звеньями.

12. Измерители линейной скорости. Используются гидравлические элементы вязкого трения, частотные (оптические) измерители и датчики сопротивления с дифференцирующими звеньями.

13. Измерители ускорения. Используются механические (сейсми-ческого типа), гидравлические, электрические и электромашинные устройства с элементами, осуществляющими двойное дифференцирование величины, линейного или углового перемещения.

14. Измерители температуры. Работа измерителей температуры может быть основана на явлениях: теплового расширения твердых тел, жидкостей или газов (биметаллические, дилатометрические, манометрические измерители); изменения сопротивления проводников и полупроводников от температуры (термометры сопротивления); термо-Э.Д.С, возникающей в двух разнородных проводниках при наличии разности температур в точках их соединения (термопары). В динамическом отношении измерители температуры представляют собой звенья второго порядка или два последовательно соединенных звена: апериодического и запаздывания (постоянные времени термопар в оболочке от 15 до 600 сек).