Урок 15

Датчики

Керування об'єктом, зокрема технологічним процесом, мож­ливе лише за умови, що на систему керування поступає інформа­ція про стан об'єкта. Для сприйняття інформації про стан керова­ного об'єкта призначені спеціальні вимірювальні пристрої. Такі вимірювальні пристрої називають первинними вимірювальними перетворювачами, рецепторами, сенсорами. Елемент такого вимірювального пристрою, який безпосередньо взаємодіє з об'єк­том керування і сприймає інформацію, називається чутливим елементом. Вимірювальний перетворювач, який разом з допоміж­ними елементами виготовлений у вигляді окремого виробу і вста­новлений безпосередньо на об'єкті керування, називається дат­чиком.

Характеристики датчиків

Для забезпечення потрібного рівня керування об'єктом необ­хідно, щоб параметри датчиків відповідали заданим вимогам. Характеристики датчиків поділяються на статичні, які характе­ризують датчик у статичному режимі, і динамічні, що характе­ризують його в динамічному режимі. Статичним режимом дат­чика називається режим роботи, коли на вході датчика діє стала фізична величина. Однак стала фізична величина — лише зручна математична модель, абстракція, яка застосовується для теоретич­ного аналізу. В природі всі величини змінюються з тією чи ін­шою швидкістю. З іншого боку, реальні технічні пристрої, зокре­ма датчики, мають інерцію, тобто реагують на вхідну дію не миттєво, а з деяким запізненням. Враховуючи все це, доцільно вважати статичним режимом реального технічного пристрою (датчика) такий режим, коли інерційними властивостями при­строю можна знехтувати порівняно зі швидкістю зміни сигналу на його вході.

Динамічним режимом роботи технічного пристрою вважа­ється режим роботи, в якому динамічні характеристики пристроїв, обумовлені інерційністю, істотно впливають на результат роботи.

Характеристики датчиків у статичному режимі. Найбільш повно властивості датчиків у статичному режимі представляє функ­ція перетворення (статична характеристика).

Функція перетворення — це залежність вихідної фізичної величини датчика у від вхідної х, тобто у = f(x). Для більшості датчиків залежність у = f(x) — нелінійна. Функція перетворення характеризує вимірювальний перетворювач у всьо­му діапазоні зміни вхідної і вихідної величини і є повною статич­ною характеристикою. В окремих випадках достатньо знати тіль­ки окремі параметри вимірювального перетворювача.

Одним із таких важливих параметрів є чутливість (sensivity), яка визначається як відношення вихідної величини вимірюваль­ного перетворювача у до його вхідної величини х:

Крім статичної чутливості, що визначається формулою користуються також динамічною чутливістю

Роздільна здатність датчика (resolution) — це властивість розрізняти два близькі значення вхідної величини.

Лінійність датчика — це ступінь наближення функції пере­творення датчика до прямої лінії. Для аналого-цифрового пере­творення сигналу необхідна пряма пропорційна залежність між вихідним значенням перетворювача і фізичною величиною на вході датчика, тому лінійність датчика є дуже важливим параметром. Якщо функція перетворення датчика є істотно нелінійною, то необхідне додаткове перетворення вихідного сигналу датчика, щоб лінеаризувати канал вимірювання в цілому.

Робочий або динамічний діапазон датчика (operating range) — це діапазон зміни вхідної величини, в якому параметри датчи­ка не виходять за задані межі.

Повторюваність (repeatability) — це властивість датчика зберігати свої параметри від екземпляра до екземпляра.

Відтворюваність (reproducivity) — властивість відтворити задані характеристики датчика під час його виготовлення.

Вхідний і вихідний імпеданс датчика — це вхідний і вихід­ний повні опори. Ці характеристики датчиків дуже важливі для узгодження параметрів датчика з іншими пристроями в каналі вимірювання, а також для оцінки впливу датчика на досліджува­ний процес.

Характеристики датчиків у динамічному режимі. Якість керування багато в чому залежить від того, як швидко система ке­рування в цілому та її складові частини, зокрема датчики, реагу­ють на зміни в об'єкті керування. В деяких випадках несвоєчасна реакція систем автоматичного керування на зміни в об'єкті керу­вання призводить до аварійних ситуацій і виходу з ладу. Динамічні характеристики показують ступінь інертності датчиків.

Динамічні характеристики поділяються на повні, які мають всю повноту інформації про інерційні властивості об'єктів, і част­кові, які характеризують тільки певні властивості об'єктів.

До повних динамічних характеристик належать: імпульсна і перехідна характеристики в часовій області й амплітудно-частот­на, фазочастотна та комплексна характеристики в частотній області.

Перехідною характеристикою датчика п(х) називається ре­акція датчика, тобто його вихідний сигнал, на одноступінчатий сигнал на вході.

 

Імпульсною характеристикою датчика g(x) називається ре­акція датчика на вхідний імпульсний сигнал надзвичайно малої тривалості. З математичної точки зору імпульсна харак­теристика є похідною від перехідної характеристики.

Амплітудно-частотною характеристикою датчика нази­вається залежність відношення амплітуд вихідного і вхідного си­нусних сигналів від частоти:

Фазочастотна характеристика датчика — це залежність різниці фаз вихідного і вхідного сигналів від частоти.

Комплексна частотна характеристика — це комплексна функція, модулем якої є амплітудно-частотна, а аргументом — фазочастотна характеристики.

Часткові динамічні характеристики містять інформацію про найбільш важливі властивості датчиків. До часткових динаміч­них характеристик, які можна визначити за перехідною характе­ристикою, належать такі характеристики:

□ час проходження зони нечутливості (dead time);

□ запізнення (delay time), яке визначається відрізком часу від моменту подачі вхідного ступінчастого сигналу до моменту досягнення вихідним сигналом 50 % рівня усталеного зна­чення;

□ тривалість наростання сигналу (rise time), яка визначаєть­ся інтервалом часу від моменту досягнення вихідним сиг­налом рівня 10 % до моменту досягнення 90 % від устале­ного значення;

□  момент досягнення першого максимуму (peak time);

□  тривалість перехідного процесу (settling time);

□  відносне перерегулювання (percentag overshot);

□  статична похибка (steady-state error).

 
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

    1.     За якої умови можливе керування технологічним процесом?

    2.     Які пристрої призначені для сприйняття інформації про стан  
     керованого об’єкта?

    3.     Що таке датчик?

    4.     Для чого потрібно, щоб параметри датчиків відповідали
     заданим вимогам?

    5.     Що таке:

 статичний режим роботи датчиків;

 динамічний режим роботи датчиків.

    6.     Які характеристики мають датчики в:

статичному режимі;

динамічному режимі.