Аналоговые датчики. Основные понятия и классификации
Основные понятия
Физическая величина (ФВ) – количественная характеристика внешнего воздействия, используемая для управления оборудованием (например, температура, давление).
Датчик (сенсор) аналоговый – средство измерений (СИ) преобразующее воздействующую на него ФВ в электрический или информационный сигнал.
Средство измерений (СИ) в автоматике – электротехническое, электронное или электронно - информационное средство предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.
Измерительный сигнал – метрологически нормированный электрический сигнал, одна их характеристик которого соответствует значению измеряемой ФВ.
Измерительное данное – значение измеряемой ФВ в цифровом виде.
Чувствительный элемент (первичный преобразователь) (ЧЭ) – функциональная часть сенсора, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой ФВ.
Измерительный преобразователь (ИП) – функциональная часть сенсора преобразующая ФВ с нормированными метрологическими характеристиками.
Основные классификации
Виды ЧЭ аналоговых сенсоров по способу преобразования ФВ:
Физические - использующие известные физические закономерности, включая мостовую схему сравнения, для прямого пропорционального преобразования значения ФВ в уровень электрического сигнала (например, термоэлектрический эффект (Зеебека) в термопарах или мостовые схемы тензодатчиков т.д.) Функциональная схема – на рис.1.1.
Косвенные - измерительные приборы – определяющие значение ФВ по результатам измерений физически связанной с ней вспомогательной ФВ. Содержит генератор и измеритель вспомогательной ФВ, а также тракт ее взаимодействия с искомой ФВ (например, радарный или ультразвуковой уровнемеры). Функциональная схема – на рис.1.2.
Рис.2.1.Обобщенная структурная схема датчика с физическим ЧЭ
Рис.1.2.Обобщенная функциональная схема датчика с косвенным преобразованием измеряемой ФВ
Виды ЧЭ по числу преобразовательных элементов:
прямого действия - преобразуют ФВ непосредственно в электрический сигнал, используя соответствующее физическое явление (например, термо - тензо - пьезоэлектрический эффекты),
составные – содержат несколько преобразователей видов энергии (например, в состав химического сенсора могут входить 2 преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой - преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал).
Виды ЧЭ по использованию электропитания:
пассивные – не нуждаются в дополнительном источнике энергии (например, термоэлектронные, пьезоэлектрические, фотодиоды),
активные - используют источник внешней энергии (например, термисторные, тепло-, термо- или тензорезистивные).
Естественный сигнал – собственная эдс или изменение подаваемой извне электрической энергии на выходе ЧЭ.
Сигнал возбуждения – ток или напряжение, подаваемые в активные ЧЭ и изменяющие свою величину в ответ на воздействие ФВ.
Виды сенсоров по способу преобразования:
генераторные – пассивные ЧЭ реагирующие на внешнее воздействие изменением выходной эдс,
параметрические – активные ЧЭ, параметры (свойства) которых изменяют (модулируют) сигнал возбуждения.
По приведенной классификации генераторные ЧЭ являются физическими, а параметрические - косвенными с электрическим вспомогательным сигналом (например, в терморезисторе, ФВ – температура рабочей среды, изменяет проводимость ЧЭ и вспомогательный сигнал возбуждения изменяет свои параметры, обеспечивая измерение ФВ).
Виды выходных сигналов аналоговых датчиков (измерительных преобразователей):
естественный –на выходе ЧЭ (обычно потенциальный);
унифицированный - изменяющийся в определенных пределах, независимо от вида измеряемой ФВ, метода и диапазона ее измерения (обеспечивает унификацию СА);
информационный – цифровое значение ФВ предназначенное для передачи и дальнейшего использования (обработки)
Виды унифицированных выходных сигналов по ГСП:
постоянного тока: 0…5мА, (0)4…20мА, ±5 мА, 0…10В, ± 10В, 0…20В, 0…1000В
переменного тока: 0…2В, ± 1В, 2…4КГц , 4…8КГц,
В ПА используются также ненормализованные унифицированные сигналы с другими параметрами.