Схемы включения датчиков

Для подключения датчиков в системы автоматики используются следующие виды схем:

мостовая;

компенсационная;

дифференциальная

Мостовая схема включения датчиков

Схема используется для преобразования изменения параметров датчика (R, L, C) в изменение тока или напряжения в цепи.

Мостовой называется схема, которая состоит из четырех и более плеч (Z1, Z2, Z3, Z4) и двух диагоналей – питания (ac) и измерительной (bd).

Если Z1 * Z3 = Z2 * Z4, то мостовая схема называется уравновешенной и ток по измерительной диагонали не течет (РА = 0). Если равенство не выполняется, то по измерительной диагонали протекает ток.

Датчик устанавливается в одно из плеч мостовой схемы (например, Z1).

В системах автоматики применяют два вида мостовых схем включения датчиков:

балансная (равновесная);

небалансная (неравновесная)

Балансная схема предусматривает нулевой метод измерения – по измерительной диагонали ток не течет. Такая схема чаще применяется в системах управления, т.к. при изменении параметра датчика (Z1) необходимо изменить сопротивление любого из плеч, чтобы ток в измерительной цепи не протекал.

Неравновесная схема – это такая схема, у которой при изменении параметра датчика по измерительной диагонали течет ток, величина которого пропорциональна этому изменению. Такие схемы часто применяются в схемах автоматического контроля (без обратной связи).

Компенсационная схема

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемую эдс (или напряжение), поступающую от датчика, уравновешивают равным и противоположным по знаку падением напряжения, значение которого известно с высокой точностью.

Работа схемы:

Исследуемое напряжение (с датчика) подается на вход схемы U_х. С реохорда снимается напряжение U_о, которое равно падению напряжения на реохорде R_о и зависит от положения щетки реохорда.

Подвижная система гальванометра (PG) имеет вместо стрелки контакт SA, который при появлении тока в гальванометре и в зависимости от его направления замыкается вверх или вниз. При этом включается электродвигатель М и соответственно перемещает движок реохорда R_о до тех пор, пока сила тока в гальванометре не станет равной нулю. Контакты SA установятся в среднее положение, двигатель остановиться и движок реохорда останется в положении, соответствующем условию компенсации U_х = U_о до тех пор, пока U_х не изменит своего значения.

Движок реохорда можно соединить с указателем, показывающим на шкале прибора значение U_х, или с пером самопишущего прибора, а иногда, и одновременно с тем и другим.

Дифференциальная схема

Схема представляет собой электрическую цепь, состоящую из двух смежных контуров, в каждом из которых действует отдельная эдс. Измерительный прибор Р включен в общую для обоих контуров цепь и реагирует на разность контурных токов.

В автоматических системах могут быть использованы следующие режимы работы дифференциальных схем:

а) при неизменных сопротивлениях обоих контуров одна из Е изменяется на величину ΔЕ

б) при неизменных сопротивлениях обоих контуров обе Е₁ и Е₂ изменяются на величину ΔЕ;

в) при неизменных Е₁ и Е₂ изменяется сопротивление Z одного из контуров;

г) при неизменных Е₁ и Е₂ изменяются сопротивления Z₁ и Z₂ обоих контуров.

Достоинство этих схем: чувствительность по току при большом сопротивлении выше, чем у мостовой схемы.

Потенциометрические датчики а- линейный; б- угловой; в- схема включения; г- статическая характеристика; 1- каркас; 2 – провод; 3- токосъёмный контакт

Преобразуют перемещение чувствительного элемента (подвижного контакта) в изменение электрического сопротивления самого датчика .

Различают датчики:

с угловым перемещением (кольцевые и секторные)

с линейным перемещением (прямоугольные)

В зависимости от конструкции реохорда датчики могут быть:

линейными – выходная величина датчика пропорциональна входной величине, т.к. сечение каркаса датчика, диаметр проволоки, шаг намотки одинаковы по всей длине;

функциональными – обладают нелинейной характеристикой, т.к. каркас, шаг намотки или диаметр проволоки по длине датчика не одинаковы

Недостатки датчиков:

наличие подвижного контакта;

трудность получения линейной характеристики;

наличие вспомогательного источника питания.

Достоинства:

простая конструкция;

не требует усиления сигнала на выходе датчика.

Индуктивные датчики

Принцип действия индуктивных датчиков основан на зависимости индуктивного сопротивления катушки индуктивности от:

изменения зазора в магнитопроводе – перемещение до 2мм;

перемещения магнитопровода в катушке – перемещение до 50мм;

изменения площади зазора между катушкой и сердечником – перемещение до 8мм.

Достоинства:

неограниченный срок службы;

большая мощность выходного сигнала;

высокая надежность;

отсутствие подвижных контактов.

Недостатки:

небольшой диапазон перемещения;

наличие холостого тока;

влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания;

наличие вспомогательного источника питания.

Трансформаторный датчик (индуктивный преобразователь)

Трансформаторные датчики имеют на своем выходе взаимоиндуктивность и поэтому они относятся к группе индуктивных датчиков.

Катушка датчика изготовлена в виде рамки, пронизываемой переменным магнитным потоком, который создается обмоткой возбуждения, подключенной к источнику стабилизированного напряжения стандартной частоты. При повороте катушки изменяется значение пронизывающего ее магнитного потока, а, следовательно, и индуктированной эдс. С помощью формы полюсных наконечников можно получить прямолинейную статическую характеристику при повороте рамки на ±70^о. Соединяя механической связью ось рамки с осью стрелки показывающего прибора, можно преобразовать поворот рамки в показания прибора.

Индуктивные датчики применяются в системах автоматики и телемеханики для измерения линейных и угловых перемещений.

Емкостные датчики

Служат для преобразования неэлектрической величины

перемещение;

влажность;

уровень вещества;

усилие и т.п.

в изменение электрической емкости.

Чувствительным элементом является конденсатор, у которого при воздействии измеряемого параметра изменяется:

С =ξs/d

а) расстояние между пластинами (d);

б) рабочая площадь пластин (s);

в) диэлектрическая проницаемость среды между обкладками (ξ )

Достоинства:

- простые по устройству;

имеют малые размеры и массу;

обладают высокой чувствительностью

Недостатки:

малая мощность выходного сигнала;

влияние внешних магнитных полей;

необходимость высокочастотного источника питания, т.к. на низких частотах нельзя получить выходной сигнал большой мощности.