1.7.2. Нормуючі підсилювачі-перетворювачі

Вихідний сигнал більшості власне датчиків як перетворювачів фізичної величини в електричну напругу або струм, як правило, невеликий і через фізичні властивості має певний нестандартний рівень. Крім того, багато датчиків мають нелінійну характеристику. Тому для приведення рівня сигналу датчика до стандартного значення, прийнятого в даній САР, а також для його лінеаризації у разі потреби, застосовують спеціальні нормуючі підсилювачі. У цифрових САР, крім того, необхідно провести оцифрування сигналу датчика, для чого до складу вузла нормування сигналу вводять аналого-цифровий перетворювач (АЦП) і вузол інтерфейсу, що забезпечує обмін даними з мікроконтролером, що управляє.

Нормуючий підсилювач може бути виконаний на основі сучасних прецизійних операційних підсилювачів, наприклад підсилювач сигналу термопари:

Рис. 1.25. Підсилювач сигналу термопари на основі ОП

Тут використана схема неінвертуючого підсилювача, коефіцієнт підсилення якої визначається виразом:

(1.7.4)

Недоліком подібних схем є відсутність компенсації температури холодних кінців. Тому в даний час широко застосовують спеціалізовані нормуючі підсилювачі, призначені для конкретного типа датчика. Наприклад, підсилювач AD597 фірми Analog Devices призначений для роботи з термопарою типу ТХА і забезпечує масштаб 10 мВ/°С з компенсацією температури холодного спаю. Ця мікросхема має наступну структуру:

Рис. 1.26. Структурна схема підсилювача-нормалізатора AD597 для термопари ТХА

До складу мікросхеми входить прецизійний підсилювач, який має коефіцієнт посилення 245,5, що забезпечує заданий масштаб, вбудований датчик температури навколишнього середовища і суматор сигналів. Таке рішення дозволяє побудувати стандартизований канал зворотного зв'язку на основі вказаної термопари без яких-небудь настройок. Подібні пристрої є і для інших типів датчиків.

1.7.3. Датчики-вимірники тиску і витрати

Сучасні датчики тиску є мембранним чутливим елементом, що діє на основі вимірника переміщення (рис. 1.27).

Під впливом тиску робочого тіла (води, повітря і т.п.) мембрана згинається, стискаючи пружину, і впливає на датчик переміщення. Вихідний сигнал цього датчика обробляється нормуючим підсилювачем і подається на вихід пристрою. У якості датчика переміщення може використовуватися диференціальний трансформатор з рухомим осердям, а в сучасних приладах – тензометричний перетворювач. Нормуючий підсилювач забезпечує стандартизований вихідний сигнал, який для аналогових датчиків може бути наступних рівнів: по напрузі: 0…5 В або 0…10 В, по струму: 4…20 мА.

Рис. 1.27. Структурна схема датчика тиску

Максимальне значення відповідає номінальному тиску, на який розрахований датчик.

Для вимірювання витрати рідини або газу використовують датчики, що працюють на різних фізичних ефектах:

А) Датчик витрати, який використовує звужуючий пристрій. Цей датчик побудований на основі диференціального мембранного механізму:

Рис. 1.28. Вимірник витрати на основі звужуючого пристрою

Датчик використовує ефект зміни швидкості і тиску потоку при проходженні звужуючого пристрою, що описується рівнянням Бернуллі:

, (1.7.5)

де Р₁, Р₂ – тиск до і після звужуючого пристрою, що має площі перетину S₁ і S₂;

V_1, V₂ – відповідні швидкості потоків,

ρ | – щільність робочого тіла.

Таким чином, вимірявши різницю тиску P = Р₁ - Р₂ і знаючи параметри звужуючого пристрою, можна визначити витрату по формулі:

, (1.7.6)

де k – коефіцієнт, що враховує параметри звужуючого пристрою.

У датчику, структурна схема якого показана на рис. 1.24, мембранний механізм з датчиком переміщення вимірює різницю тиску, а нормуючий підсилювач-перетворювач здійснює обчислення витрати по формулі (1.7.6).

Б) Датчик витрати на основі турбінного механізму. У такому приладі рухомий потік робочого тіла обертає турбіну, при цьому швидкість обертання пропорційна швидкості потоку, а значить і витраті робочого тіла. На осі турбіни встановлюється постійний магніт, а зовні – обмотка. При обертанні магніту в обмотці наводиться змінна ЕРС, частота якої пропорційна швидкості обертання магніту:

Рис. 1.29. Вимірник витрати на основі турбінного механізму

Нормуючий підсилювач-перетворювач виробляє сигнал відповідно до виразу:

, (1.7.7)

де k – коефіцієнт, що враховує параметри пристрою.

В) Ультразвуковий датчик витрати. Цей прилад використовує ефект Доплера – зміна частоти ультразвука в рухомому потоці рідини або газу. Такий датчик найбільш складний, але він дозволяє проводити вимірювання витрати на існуючих трубопроводах без яких-небудь додаткових робіт простою накладкою компонентів датчика поверх труби:

Рис. 1.30. Ультразвуковий вимірник витрати

Цей прилад найбільш ефективний при визначенні витрат в існуючих магістралях.