Принцип работы аналогового датчика

Во время автоматизации различных рабочих процессов для качественного управления сложными механизмами и агрегатами пользователям приходится регулярно сталкиваться с фиксацией важных параметров. Чаще всего это температурные колебания, частота вращения механизма, расход газа или другой жидкости, давление, сила тока. В некоторых отраслях экспертам необходимо точно знать информацию о положении частей разных деталей. В этом случае на помощь приходит аналоговый датчик, который отличается от всех остальных многочисленными преимуществами.

Описание

Многофункциональные аналоговые датчики широко распространены в больших системах непрерывного измерения и регулирования различных показателей. Основной принцип действия таких агрегатов состоит в том, чтобы при изменении важных параметров происходила соответствующая перемена выходного сигнала.

Аналоговый датчик – это универсальный элемент измерительного, регулирующего, преобразующего, а также управляющего оснащения. Принцип использования этого устройства отличается своей доступностью и простотой. Поступающие аналоговые сигналы в обязательном порядке преобразуются прежде, чем попасть в компьютер.

Для качественной передачи данных пользователю необходимо устранить специфические проблемы, которые обусловлены электрическим сопротивлением. Сигнал по разным причинам может подвергаться зашумлению из-за нежелательных связей резистивного, емкостного либо индуктивного характера.

Характеристика

Аналоговый датчик создает специальный сигнал, который подается на вход обрабатывающего устройства. Чаще всего это порт компьютера. Большинство датчиков с преобразователем, которые используются в классических системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Чаще всего специалисты используют устройство для решения следующих задач:

• Параметры движения.
• Магнитные и электрические характеристики.
• Момент, сила, давление.
• Расход.
• Температура.
• Активность химического и биохимического типа.
• Уровень заполнения емкости.
• Концентрация (жидкости, газа, взвешенных и растворенных веществ).

Способ подключения

Полученное при помощи аналогового датчика напряжение легко преобразуется в необходимый цифровой вид, который идеально подходит для ввода в контроллер. Для этих целей производители предусмотрели наличие специальных агрегатов АЦП. Актуальные цифровые данные в универсальном контроллере передаются параллельным либо последовательным способом. Все зависит от конкретной схемы включения.

К контроллеру аналогового датчика давления подключаются универсальные исполнительные механизмы или сам компьютер. В нижней части устройства можно увидеть классическую присоединительную резьбу, которая подходит для трубопровода. Под небольшой черной крышкой спрятан разъем для подключения линии связи с контроллером. Для герметизации необходимо использовать долговечные шайбы из отожженной меди.

Применение

Востребованный сегодня аналоговый датчик температуры активно применяется в системах автоматизации. Основное назначение такого агрегата – получить информацию о разных физических величинах. Все данные поступают в реальном масштабе времени. Используется качественное преобразование физической величины в мощный электрический сигнал, который идеально подходит для передачи по существующим линиям связи в предварительно установленный контроллер. Вся полученная информация подлежит обработке.

Чаще всего аналоговые датчики устанавливают на большом расстоянии от компьютера, из-за чего такие агрегаты часто называют полевыми устройствами. Этот термин можно увидеть в технической литературе. Чтобы правильно выполнить подключение аналогового датчика, пользователь должен знать, что агрегат состоит из нескольких основных частей. Базовым элементом является сенсор. Именно это изделие отвечает за перевод измеряемой величины в электрический сигнал. Все дальнейшие действия выполняет схема Уитстона.

Новые модели

Сегодня в продаже представлены совершенно новые изделия, которые работают на основе протокола HART. Используемый аналоговый вход агрегата пользуется огромным спросом. Сигнал находится в диапазоне от 4 до 20 А.

Скоростная связь по протоколу обеспечивается двумя основными способами. Первый вариант считается классическим, так как по надежной двухпроводной линии могут обмениваться информацией исключительно два агрегата. Этот вариант особенно актуален, когда выполняется первичная настройка датчиков.

Во втором случае к двухпроводной линии можно подсоединить сразу 14 девайсов. Итоговое количество всегда зависит от параметров линии и мощности установленного блока питания.

Параметры выходных сигналов

Этот параметр всегда тщательно изучается специалистами. Чаще всего зависимость выходного напряжения прямо пропорциональна тестируемой пользователем величине. К примеру, чем выше будет давление в трубе, тем больше ток на выходе датчика. В некоторых случаях применяется инверсное подсоединение. Большой величине выходного напряжения обязательно соответствует минимальный показатель измеряемых параметров на выходе датчика. Итоговый результат во многом зависит от применяемого контроллера.

Стоит отметить, что некоторые датчики выгодно отличаются наличием переключения с прямого на инверсный сигнал. Самым надежным считается тот вариант, когда выходной диапазон находится в пределах от 4 до 20 мА. Итоговая помехозащищенность достаточно высокая. Если нижний предел показывает 4 мА, то линия связи не оборвана. Эксперты активно используют измерительный преобразователь, который предназначен для работы с уровнями напряжения.

Конечно, одним только датчиком не обойтись. Чаще всего пользователям необходимо знать показатели давления и температуры. Количество важных точек на крупном предприятии может достигать нескольких десятков. Именно поэтому датчиков тоже нужно много.

Если контроллер был установлен в металлический шкаф, то экранирующие оплетки желательно подключать к точке заземления шкафа. Длина соединительных линий может достигать нескольких километров. Для расчета лучше использовать специализированные формулы.

Электромагнитное устройство, именуемое датчиком Холла (далее ДХ), применяется во многих приборах и механизмах. Но наибольшее применение ему нашлось в автомобилестроении. Практически во всех моделях отечественного автопрома (ВАЗ 2106, 2107, 2108 и т.д.) бесконтактная система зажигания для бензинового двигателя управляется этим датчиком. Соответственно, при его выходе из строя возникают серьезные проблемы с работой двигателя. Чтобы не ошибиться при диагностике, необходимо понимать принцип работы датчика, знать его конструкцию и методы тестирования.

Кратко о принципе работы

В основу принципа действия датчика зажигания положен эффект Холла, получивший свое название в честь американского физика, открывшего это явление в 1879 году. Подав постоянное напряжение на края прямоугольной пластины (А и В на рис. 1) и поместив ее в магнитное поле, Эдвин Холл обнаружил разность потенциалов на двух других краях (С и D).

Рис .1. Демонстрация эффекта Холла

В соответствии с законами электродинамики, сила Лоренца воздействует на носители заряда, что и приводит к разности потенциалов. Величина напряжения U_холла довольно мала, в пределах от 10 мкВ до 100 мВ, она зависит как от силы тока, так и напряженности электромагнитного поля.

До середины прошлого века открытие не находило серьезного технического применения, пока не было налажено производство полупроводниковых элементов на основе кремния, сверхчистого германия, арсенида индия и т.д., обладающих необходимыми свойствами. Это открыло возможности для производства малогабаритных датчиков, позволяющих измерять как напряженность поля, так и силу тока, идущего по проводнику.

Типы и сфера применения

Несмотря на разнообразие элементов, применяющих эффект Холла, условно их можно разделить на два вида:

• Аналоговые, использующие принцип преобразования магнитной индукции в напряжение. То есть, полярность, и величина напряжения напрямую зависят от характеристик магнитного поля. На текущий момент этот тип приборов, в основном, применяется в измерительной технике (например, в качестве, датчиков тока, вибрации, угла поворота). Датчики тока, использующие эффект Холла, могут измерять как переменный, так и постоянный ток
• Цифровые. В отличие от предыдущего типа датчик имеет всего два устойчивых положения, сигнализирующих о наличии или отсутствии магнитного поля. То есть, срабатывание происходит в том случае, когда интенсивность магнитного поля достигла определенной величины. Именно этот тип устройств применяется в автомобильной технике в качестве датчика скорости, фазы, положения распределительного, а также коленчатого вала и т.д.

Следует отметить, что цифровой тип включает в себя следующие подвиды:

• униполярный – срабатывание происходит при определенной силе поля, и после ее снижения датчик переходит в изначальное состояние;
• биполярный – данный тип реагирует на полярность магнитного поля, то есть один полюс производит включение прибора, а противоположный – выключение.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

• А – проводник.
• В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
• С – аналоговый датчик Холла.
• D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение U_ДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Разобравшись с принципом действия элемента Холла, рассмотрим, как используется данный датчик в системе бесконтактного зажигания линейки автомобилей ВАЗ. Для этого обратимся к рисунку 5.

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

• А – датчик.
• B – магнит.
• С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

• При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
• В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
• В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Казалось бы, ничего сложного, но искра должна появиться именно в определенный момент. Если она сформируется раньше или позже, это вызовет сбой в работе двигателя, вплоть до его полной остановки.

1. Применение мультиметра для проверки. Это способ наиболее известный, и приводится в руководстве к автомобилю. Нужно подключить щупы прибора, как продемонстрировано на рисунке 7, и произвести замеры напряжения.

Схема подключения мультиметра для проверки ДХ

На исправном датчике напряжение будет колебаться в диапазоне от 0,4 до 11 вольт (не забудьте перевести мультиметр в режим измерения постоянного тока). Следует заметить, что проверка осциллографом будет намного эффективней. Подключается он таким же образом, как и мультиметр. Пример осциллограммы рабочего ДХ приведен ниже.

Осциллограмма исправного датчика Холла СБЗ

1. Установка заведомо рабочего ДХ. Если в наличии имеется еще один однотипный датчик, или имеется возможность взять его на время, то данный вариант тоже имеет место на существование, особенно если первые два сделать затруднительно.

Ест еще один вариант проверки, по принципу напоминающий второй способ. Он может быть полезен, если под рукой нет измерительных приборов. Для тестирования понадобиться резистор номиналом 1,0 кОм, светодиод, например, из фонарика зажигалки и несколько проводков. Из всего этого набора собираем прибор в соответствии с рисунком 9.

Рис. 9. Светоиндикаторный тестер для проверки ДХ

Тестирование осуществляем по следующему алгоритму:

1. Проверяем питание на датчике. Для этой цели подключаем (соблюдая полярность) наш тестер к клеммам 1 и 3 ДХ. Включаем зажигание, если с питанием все нормально, светодиод загорится, в противном случае потребуется проверять цепь питания (предварительно убедившись в правильном подключении светодиода).
2. Проверяем сам датчик. Для этого провод с первой клеммы «перебрасываем» на вторую (сигнал с ДХ). После этого начинаем крутить распредвал (руками или стартером). Моргание светодиода засвидетельствует исправность ДХ. В противном случае, на всякий случай проверяем соблюдение полярности при подключении светодиода, и если оно выполнено правильно, — меняем датчик на новый.

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:

Переходная характеристика:

где – дельта-функция;

Это дельта-импульс с площадью К. При постоянной входной величине выходная величина дифференцирующего звена равна нулю.

КЧХ:

совпадает с положительной частью мнимой оси.

АЧХ:


показывает: чем больше частота входного сигнала, тем больше амплитуда выходного сигнала.

ФЧХ:
Сдвиг фаз, создаваемый идеальным дифференцирующим звеном, на всех частотах одинаков и равен