Что значит аналоговый датчик

Сразу хочу сказать, что типов и видов датчиков неимоверное множество. Они различаются типом измеряемого параметра, способом измерения, конструкцией, диапазоном измерения, видом выходного сигнала и т.д. Мы же будем рассматривать только те типы и виды, которые применяются в наших с Вами инженерных системах зданий.

Что такое датчик? Давайте для себя просто определим, что это устройство, с помощью которого мы измеряем значение какого-либо технологического параметра.

Любой датчик состоит из чувствительного элемента и преобразовательной системы. Иногда сам чувствительный элемент является одновременно и преобразовательной системой. Чувствительный элемент всегда непосредственно связан с той средой, параметр которой он измеряет. В теории измерений для него принято название — измерительный преобразователь. Могу дальше рассказывать Вам о сложной классификации датчиков, но пока это опустим.

Перейдем к конкретике.

Аналоговые измерительные датчики – первичные преобразователи. Такой тип датчиков применяется в системах непрерывного измерения и регулирования. Принцип действия этих датчиков состоит в том, что при изменении параметра происходит соответствующее изменение его выходного сигнала. Дискретные измерительные датчики – сигнализаторы (датчики-реле). Такой тип датчиков применяется, когда необходимо отследить конкретное значение измеряемого параметра для каких либо дальнейших действий. Эти датчики устанавливаются там, где отсутствует необходимость получения всех значений измеряемого параметра. Часто нужно знать, достиг ли параметр какого-либо конкретного значения. В этом случае измерительная система выдает сигнал только при достижении заданного ограничительного значения.

Датчики (измерительные преобразователи ) температуры.

Давайте пойдем от технологии. Что нам надо измерять? В системах отопления -температуру воды и воздуха, в системах вентиляции – температуру воды и воздуха, в системах горячего водоснабжения – температуру воды. Как мы видим, параметры одни и те же. Для того, чтобы принять решение какой тип измерителя применить — надо знать диапазон измеряемых температур. Вода — может быть в диапазоне (0 …150)гр.С. Воздух – (-50 до + 50)гр.С.

Поэтому в качестве аналоговых датчиков можно применить так называемые термопреобразователи сопротивления. Физический смысл их работы основан на изменении сопротивления применяемого в качестве чувствительного элемента металла в зависимости от температуры среды, в которую он погружен. Пропуская через этот элемент электрический ток, мы можем получить зависимость изменения напряжения от температуры. Раньше в качестве такого металла применялась медь. Были медные чувствительные элементы с сопротивлением 50 Ом или 100 Ом при 0 гр.С. Их недостатком было то, что при значительных длинах проводов, которые соединяли их с вторичными устройствами, сопротивление этих проводов было соизмеримо, а то и больше, чем сопротивление самих датчиков. Это, естественно, вносило погрешности в измерения, которые необходимо было компенсировать. Сейчас от этой проблемы ушли, применяя металлы, имеющие 500 Ом или 1000 Ом при 0?С. Это платина (Pt) и никель (Ni). Поэтому сегодня в инженерных системах чаще всего применяются датчики типа Pt 1000.

В наших системах используются погружные термопреобразователи сопротивления, чувствительный элемент которых непосредственно погружен в измеряемую среду, и накладные, которые измеряют температуру поверхности, предполагая, что она приблизительно равна температуре самой среды. Когда какие применять, мы рассмотрим при изучении автоматизации конкретных систем. В качестве дискретных датчиков температуры чаще всего применяются манометрические

термометры. Это устройства, в которых чувствительным элементом является термобаллон, который соединен капиллярной трубкой с сильфоном. При изменении температуры термобаллона изменяется давление в системе и сильфон перемещает механизм, который заканчивается контактными устройствами. Часто можно услышать название таких датчиков – сигнализаторы температуры или термостаты. Еще нам понадобится биметаллический датчик. Но о нем поговорим, когда будем рассматривать автоматизацию электронагревателей.

Датчики (измерительные преобразователи ) давления и перепада давлений. Датчики давления, как и датчики температуры, бывают аналоговые и дискретные. Раньше использовались мембранные и сильфонные датчики, принцип действия которых был основан на механическом перемещении (сжатии или расширении) данных чувствительных элементов при изменении давления среды. Далее эти чувствительные элементы имели шток, перемещающийся в магнитном поле и меняющий величину, например, магнитной индукции. Сейчас в качестве чувствительных элементов все чаще применяют тензорезисторы. При сжатии или расширении такого резистора меняется его сопротивление. А дальше, так же, как и в термопреобразователях сопротивления, данный резистор включается в электрическую схему. Дискретные датчики давления рассчитаны на необходимость фиксации конкретного значения давления или перепада давления. Для этого применяются электроконтактные манометры и дифманометры, в качестве чувствительных элементов которых применены трубчатые пружины и мембраны.

Датчики (измерительные преобразователи) влажности. Почти все современные аналоговые датчики влажности имеют емкостной чувствительный элемент. Их принцип работы основан на изменении емкости чувствительного элемента при изменении влажности. Далее этот чувствительный элемент включен в измерительную схему вторичного прибора. Достаточно часто встречаются совмещенные аналоговые датчики влажности и температуры. Таким образом в точке отбора, где требуется измерение этих двух параметров, устанавливается один прибор вместо двух. Такой датчик имеет два независимых выходных сигнала – один по влажности, другой по температуре. Дискретные датчики влажности отличаются от аналоговых наличием контактной группы, позволяющей срабатывающей только при заданном значении. Такие датчики также называют гигростатами.

Датчики (измерительные преобразователи) расхода. В наших с Вами системах встречаются ультразвуковые, индукционные, вихревые аналоговые расходомеры и расходомеры, в которых измерение расхода выполняется путем измерения разности давлений на так называемом сужающем устройстве с последующей обработкой значений параметра по соответствующей формуле. В частности, такие расходомеры входят вместе с термопреобразователями сопротивления в комплект теплосчетчиков. Дискретные датчики расхода могут быть выполнены в виде крыльчатки, вращающейся в потоке жидкости. С такого датчика сигнал выдается в виде импульса при совершении каждого полного ее оборота. Считая эти импульсы можно организовать учет количества жидкости, прошедшей через прибор за определенное время. Сигнализаторы также могут быть выполнены в виде заслонки, установленной поперек потока. Чем больше расход, тем больше давление потока на ее поверхность и больший угол ее отклонения от вертикального положения. При определенном угле отклонения срабатывает контакт и выдается сигнал о наличии расхода. Такие сигнализаторы расхода часто называют реле протока. Датчики (измерительные преобразователи) уровня жидкости Аналоговые датчики уровня – это те же датчики дифференциального давления, т.к. любой столб жидкости создает разность давлений между верхним и нижним уровнем. Дискретные датчики уровня (фактически это датчики наличия жидкости) построены на принципе электропроводности жидкости и состоят из минимум двух электродов, через которые проходит электрический ток. При погружении их в воду образуется замкнутая электрическая цепь. В частности такие системы применяются в дренажных приямках для измерения наличия уровня в них воды.

Датчики (измерительные преобразователи) качества воздуха. В системах вентиляции и кондиционирования воздуха все чаще поддерживаются не только температура и влажность воздуха, но и его качество, т.е. количество углекислого газа, озона, таких примесей как, сигаретный дым, запах пота, алкоголя, выхлопных газов и т.д. Для измерения этих параметров применяются датчики определяющие наличие в воздухе каких-то отдельных веществ, например углекислого газа, и датчики анализирующие качество воздуха по комплексу присутствующих в нем примесей. Такие датчики также могут быть аналоговыми и дискретными. Хочу отметить, что для унификации выходных сигналов принят ряд стандартных сигналов по току – сигналы (0-5), (0-20) и (4-20)мА и напряжению – сигнал (0-10)В. Преобразование в стандартный сигнал может выполняться преобразователем, встроенным в датчик, или отдельным преобразующим устройством. Некоторые типы датчиков могут быть как с такими встроенными преобразователями, так и без них. Другие — только со встроенными преобразователями. На сегодня все. На следующем уроке рассмотрим исполнительные механизмы и коммутационные устройства.

Источник

Аналоговые датчики.

Аналоговые измерительные датчики-первичные преобразователи.Такой тип датчиков применяется в системах непрерывного измерения и регулирования.Принцып действия этих датчиков состоит в том,что при изменении параметра происходит соответствующее изменение его выходного сигнала.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

Аналоговые сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно необходимо так или иначе преобразовать прежде, чем ввести их в компьютер. Сигнал в виде напряжения должен быть усилен так, чтобы соответствовать диапазону напряжений интерфейса компьютера. Более того, иногда уровень напряжения датчика должен быть смещен, чтобы привести в соответствие минимальный уровень выхода датчика с минимальным напряжением интерфейса компьютера. Эта процедура называется согласованием сигнала.

При передаче аналоговых сигналов существуют специфические проблемы, обусловленные электрическими возмущениями. Сигнал, передаваемый от датчика по электрическому проводнику, может подвергнуться зашумлению под влиянием среды из-за нежелательных связей резистивного, индуктивного или емкостного характера. Этот шум может исказить исходный сигнал. Одно из возможных решений — преобразовать аналоговый измерительный сигнал в последовательность импульсов, частота или продолжительность которых известным образом связана с уровнем исходного сигнала, а затем передавать этот преобразованный измерительный сигнал. Такой переход особенно полезен, когда внешний шум имеет ту же частоту, что и исходный сигнал.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различаютнеэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

— электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

— электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

— они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

— аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

— цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

— бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Практическая задача: Рассчитать основные характеристики идеального дифференцирующего звена, такие как: передаточная функция, комплексная частотная характеристика (КЧХ), амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ). Привести примеры данного типа элементарного динамического звена.

Передаточная функция: