Орындалатын операцияны сипаттайтын параметрлердің мәндері туралы ақпарат болғанда ғана технологиялық процестерді автоматтандыруға болады.
Автоматиканың техникалық құралдарындағы ақпарат – адаммен сапа жағынан қабылданатын технологиялық процестердің сипаттамалары мен параметрлерінің сандық мөлшері. Мысалы, бар — жоқ, ыстық – салқын, төмен – жоғары, құрғақ – дымқыл ж.т.б.
Ақпаратты жинау және оны санды жағынан бағалау үшін, әр түрлі электрлік және бейэлектрлік датчиктер керек. Мысалы, технологиялық процестердің АБЖ екі мың шамасында параметрлерді өлшеуді керек етеді.
Датчик (түрлендіріп бергіш) – процестің параметрлерін өлшейтін және өлшенген физикалық шамаларды одан әрі қарай өңдеуге және қашықтыққа беруге қолайлы сигналға түрлендіретін құрылғы.
Датчик – бақыланатын шаманы (қысым, температура, жылдамдық, жарық күші, электр тогы, кернеу т.б.) өлшеуге, таратуға, өзгертуге, сақтауға және тіркеуге, сонымен қатар басқарылатын процестерге, әсер етуші сигналға түрлендіруші өлшеуіш, сигнал бергіш, реттеуіш немесе басқарушы жүйе құрылғыларының элементі. Датчик құрамында әсер қабылдағыш (сезгіш) және бірнеше аралық өзгерткіш элемент болады.
Әдетте датчиктің шықпасында немесе механикалық параметрлер (күш, ығысу жолы, жылдамдық) немесе электрлік шамалар (кернеу, ток, кедергі, сыйымдылық, индуктивтік, фазалар ығысуы ж.т.б.) болады. Электрлік параметрлерді өлшеу, тарту жеңіл келеді, сондықтан электрлік датчиктер кең таралған.
Бейэлектрлік параметрлерді алдын ала датчиктердің көмегімен электрлік шамаға түрлендіреді. Содан соң осы жанамалы бірақ айтарлықтай дәл ақпаратты АБЖ – нің келесі элементіне береді.
Кез келген өндірісті, әсіресе ауылшаруашылық өндірісін, автоматтандыруда ең қиын және жауапты мәселелердің бірі – автоматтандырылатын процестерді толық суреттейтін (бейнелейтін) және бақылайтын датчиктерді ойлап құрастыру.
Технологиялық процестерді автоматтандыру деңгейі, көп жағдайда датчиктердің жетілдірілгендігімен анықталады. Өкінішке орай, осы күнге дейін ауылшаруашылық нысандарының арнайы параметрлерін өлшеуге арналған датчиктер жасалынған жоқ. Мұндай параметрлерге, мысалы, сүттің майлылығын, дәннің тұқымдық қасиетін, жануарлар мен өсімдіктердің физиологиялық қасиеттерін жатқызуға болады.
Жалпы түрінде датчик бір физикалық шаманы басқа шамаға түрлендіруге немесе бір физикалық шаманың санды мәнін өзгертуге арналған бір немесе бірнеше қарапайым түрлендіргіштерден тұрады. Қарапайым түрлендіргіштердің ішінде ең маңыздысы бұл қабылдағыш орган (сезгіш элемент немесе өлшеуіш орган) саналады. Ол басқарылатын шаманың тұрақталған мәннен ауытқуын сезеді және осы ауытқуды белгілі сигнал түрінде басқа түрлендіргіштерге береді.
Әрекет ету принципі бойынша датчиктерді генераторлық және параметрлік деп екі үлкен топқа бөледі.
Генераторлық датчиктерде бақыланатын Х параметр қабылдағыш органда тікелей шықпалық У шамаға түрленеді. Қосымша қоректену көзі керек болмағандықтан бұл датчиктер өте қарапайым келеді. Кірмелік Х сигналды шықпалық У сигналға түрлендіру кірмелік сигнал энергиясының есебімен жүзеге асырылады.
а) Генераторлық датчиктер
Датчиктердің функционалдық сұлбалары
ВО – воспринимающий орган; ҚО — қабылдағыш орган
б) Параметрлік датчиктер
ПП- промежуточный преобразователь; АТ — аралық түрлендіргіш;
ИП — источник питания; ҚК — қоректендіру көзі;
в) Кері байланысты датчиктер
ОС — обратная связь КБ — кері байланыс
Параметрлік датчиктердің құрамына қабылдағыш органнан (ҚО) басқа аралық түрлендіргіш (АТ) және қосымша қоректендіру көзі (ҚК) кіреді. Бұл датчиктерде бақыланатын Х параметр қабылдағыш органда (ҚО) қоректендіру көзі (ҚК) энергиясының есебінен аралық Ха шамаға түрленеді. Содан соң аралық (АТ) түрлендіргіштің көмегімен шықпалық У сигнал қолайлы пішінге және белгілі мәнге дейін жеткізіледі.
Кері байланысты датчиктер ең жетілдірілген болып саналады. Бұл датчиктер заттың қасиетін өлшеуге және жоғары жиілікті акустикалық немесе электрмагниттік толқындардың шағылысуы бойынша материалдардағы ақауларды (дефектілерді) табуға арналған, сондай-ақ оптикалық және радиоизотоптық датчиктер де пайдаланылады.
Кері байланысты датчиктердің (жақсы жақтары) артықшылықтары:
— сыртқы ауытқуларға (температураның, қоректену кернеуінің ауытқулары) сезгіштігі азырақ :
— тұрақты жұмыс істеуі артығырақ;
— дәлдігі жоғары, өйткені теріс кері байланыс қабылдағыш орган мен түрлендіргіш қателіктерінің әсерін төмендетеді.
Кемшіліктері:
— қиыстырмасы күрделі;
— құны жоғары;
Шықпалық У сигналдың уақыт бойынша өзгеру сипатына орай датчиктер үзіліссіз әрекет ететін және дискретті әрекет ететін болып бөлінеді.
Үзіліссіз әрекет ететін датчиктерде сигнал үзіліссіз беріледі. Дискретті әрекет ететін датчиктерде белгілі уақыт аралығында шықпалық сигналдың мәні нөлге тең болады.
Датчиктерді сипаттайтын негізгі параметрлерге олардың сезгіштігі және инерциялығы жатады.
Датчиктің сезгіштігі S шықпалық параметрі ∆у(dу) өзгеруінің оның кірмелік шамасының ∆х(dх) өзгеруіне қатынасымен анықталады;
немесе ;
Яғни сезгіштік шықпалық параметрдің кірмелік шамадан тәуелділігін білдіретін функцияның бірінші туындысы ретінде анықталады.
Қалыптасқан режимдегі сезгіштік датчиктің күшейткіш коэффициенті деп аталады.
Инерциялық басқарылатын шаманың мәнін өлшеуде болатын кейбір кешігуді көрсетеді. Оған датчик бөлшектерінің массасы, датчиктің жылулық қасиеттері, индуктивтілігі, сыйымдылығы және басқа параметрлері себепші болуы мүмкін.
Қабылдағыш элементтер мен датчиктердің негізгі типтерін қарап өтеміз.
1 Омдық қабылдағыш элементтер (бірінші түрлендіргіштер) және датчиктер
Датчиктің аты оның арналымының және қабылдағыш элементтің атынан пайда болады. Омдық (реостаттық) қабылдағыш органдарды (ҚО) бақылау датчиктерінде, сызықтық және бұрыштық орын ауыстыруды, моменттер күштерін және басқа бейэлектірлік шамаларды өлшеу датчиктерінде пайдаланылады.
Бұлардың қатарына түйіспелік, потенциометрлік, көмір, тензометрлік және әрекет ету принципі өлшенетін кірмелік параметрдің әрекетінен арнайы элементтің омдық кедергісінің өзгеруіне негізделінген басқа бірінші түрлендіргіштер жатады.
Датчиктердің жақсы жақтары
— қиыстырмасының қарапайымдылығы;
— инерциясыздығы;
— тұрақтылығы;
— сезгіштік коэффициентінің үлкендігі;
— шықпасындағы сигнал қуатының жеткіліктілігі;
2 Түйіспелік датчиктер
Олар өздерінің түйіспелерін түйістіріп немесе ажыратып механикалық әрекеттерді және тұрақты немесе айнымалы ток электр импульстерін түрлендіреді.
Түйіспелік қабылдағыш органдар (бірінші түрлендіргіштер) көмегімен датчиктер күштерді, аралық және шекті жылжуды, бұйымдардың пішіні мен өлшемдерін өлшейді және бақылайды. Түйіспелердің аралығындағы бастапқы саңылау датчиктердің сезгізгіштік аймағын анықтайды. Түйіспелі датчиктер бір шектілі және көп шектілі болуы мүмкін.
Түйіспелік датчиктердің негізгі кемшіліктері:
— үзіліссіз бақылауды қамтамасыз етудің күрделілігі;
— түйіспелік жүйенің жұмыс істеу уақытының шектілігі;
3 Потенциометрлік датчиктер
Бақыланатын орын ауыстыру бірінші түрлендіргішке беріледі және өзінің электрлік кедергісінің өзгеруі себебінен айнымалы немесе тұрақты кернеуге түрленеді. Осы датчиктердің резисторлы потенциометр сұлбасы бойынша (жалғанады) қосылады. Потенциометрдің жылжымалы түйіспесі бақыланатын орын ауыстырғышқа (нысанға) бекітілген. Нысанның орны өзгергенде екінші П аспапта кернеу өзгереді. Прибор бақыланатын параметрдің өлшеу бірлігінде бөліктендірілген (градусталынған).
Датчиктің Іn = f(Rά) сипаттамасын түзу сызыққа жақын жасауға ұмтылады.
Егер шықпалық сигналдың таңбасы қозғалтғыштық жылжу бағытына сәйкес келуі қажет болса, орта нүктесі бар потенциометр пайдаланылады.
Потенциометрлік датчиктер реостат (3.3, а, б сур.) немесе потенциометр (кернеу бөлгіш) (3.3, в сур.) сұлбасы бойынша қосыла алады. Қосу сұлбасына сәйкес жылжымалы жанаспаның ығысуы не ток (тізбектей қосқанда), не кернеу (бөлгіш сұлбасы бойынша қосқанда) өгерісіне түрленеді.
Потенциометрлік датчиктің сипаттамасы мен сезгіштігін аналитикалық әдіспен есептейді.
а) суретінде келтірілген сұлбаға мынадай теңдеулер құруға болады
; ;
I = In+Ix ;
Ucт = I(R-Rx) + In∙Rn
Теңдеулерді шешкенде
;
1 – жылжымалы жанаспа; 2 — реахорда
Жылжымалы жанаспалы бұрыштық (а) және
сызықтық (б) ығысатын датчиктер, в – кернеу бөлгіш сұлбасы
Егер Rп ≥ (8…10) R болса:
;
;
Шықпалық Іn және Un кірмелік Х шамаға тура пропорционалды.
Датчиктің сезгіштігі
; (А/м)
.
Сымдық потенциометрдің сезгізшіз аймағы сымның диаметрі мен анықталады, өйткені жылжымалы түйіспе сымның диаметріне тең қашықтыққа орнын ауыстырғанда, потенциал секірмелі түрде мәніне өзгереді.
Потенциометрі тұтас жартылай өткізгіш қабілетпен қапталған датчиктерде сатылық қатесі болмайды.
Жақсы жақтары:
— жоғары дәлдігі;
— сипаттамасының тұрақтылығы;
— құрастырымының қарапайымдылығы;
— өлшемдерінің кішілігі;
— шықпалық қуатының жеткіліктілігі (молдығы)
Осы себептен осындай датчиктер кең таралған.
Кемшіліктері:
— жылжымалы бөлшектерінің болуы;
— жылжымалы түйіспенің болуы.
Бұл датчиктердің сенімділігін төмендетеді.
4 Көмір датчиктер
Көмір қабылдағыш элементтер өздеріне әрекет ететін күшті электрлік кедергіге немесе ток күшіне түрлендіреді. Кірмелік шама — өлшенетін күш, ал шықпалық параметр – сондағы электрлік кедергі немесе ток күші.
Көмір датчиктердің екі түрін ажыратады:
1) Бағаналар түрінде дайындалған;
2) Тензолиттер – басқа оқшаулағыш лакпен араластырылған көмірдің, графиттің немесе күйенің ұнтақтары қарапайым көмір датчик қалыңдығы 1-2 м және диаметрі 5-10 мм, 10-15 мм бірден екіге көмір шайбалардан (1) жиналады.
Бағандардың екі шетіне түйіспелік дискілер (2) және тіректік құрылғылар (3) бекітіледі. Құрылғылар арқылы дискілерге күш беріледі.
Көмір бағананың электрлік кедергісі дискілердің өзіндік кедергісінен және дискілер арасындағы өтпелі кедергілерден құрастырылады. Өтпелі кедергі дискілерге әрекет ететін қысу күшінен тәуелді келеді.
Суретте датчик кедергісінің R және шықпалық ток күшінің In қысу күшінен F тәуелділігі берілген.
Датчиктің кедергісі
R = Ro + ,
мұндағы Ro қысу күші F→∞ болғандағы кедергі, а — тұрақты коэффициент (Ом∙H).
Сезгіштігі S=│ │= .
Ток күші .
Кремний монокристалынан диаметрі 1мм сырық түрінде дайындалатын тензолиттердің мыстан дайындалған шықпалары болады. Олар сыртқы жүктеменің әрекетінен жұмыс бөлшектерінде пайда болатын әртүрлі серпімді деформацияларды өлшеуге пайдаланылады. Датчиктің сезгіштігін жоғарылату үшін бағандарды дифференциалды қосады.
Негізгі кемшіліктері:
— R = f(F) сипаттамасының түзу сызықты еместігі;
— кедергісінің тұрақсыздығы;
— кедергісінің температурадан тәуелділігі;
Дифференциалды қосқанда сипаттамасының түзу сызықты еместігі
айтарлықтай жақсарады.
.
5 Тензодатчиктер
Тензометрлік қабылдағыш элементтер (тензодатчиктер) жұмысында материал электрлік кедергісінің оның деформациясынан тәуелділігі пайдаланылады.
Тензодатчик – белгілі тәртіппен төселінген және екі беті арнайы қабыршақпен желімделген жіңішке сым.
Тензодатчик меншікті электрлік кедергісі жоғары болатын (константан, нихром) жіңішке (а = 0,02…0,04 мм) материалдан дайындалады.
Термотүрлендіргішті сыналатын бөлшекке өте берік желім көмегімен желімдейді. Бөлшек деформацияланғанда өзінің геометриялық өлшемдері мен меншікті кедергісін өзгерту нәтижесінде сымның электрлік кедергісі өзгереді.
Өлшемдері:
ұзындығы- 2,5…150 мм;
ені — 3…60 мм;
кедергісі R -100…200 Ом.
∆R∕R салыстырмалы кедергісінің өзгеруін өлшеу бойынша ∆L∕L cалыстырмалы деформацияны анықтайды.Сонда кейін ∆L∕L = f (F) тәуелділігі бойынша F күшті анықтауға болады.
Тензодатчиктердің сипаттамасы түзу сызықты, сондықтан сезгіштігі тұрақты болады.
Материалдың бір бөлігі деформацияланғандықтан датчиктің сезгіштігі материалдың сезгіштігінен төмен болады.
Сезгіштігі Sт; т ( )
Нихромда Sт =2.
Әдетте тензотүрлендіргіштерді көпірлік сұлба бойынша қосады. Олар тензодатчикті құрайды.
Кемшіліктері:
— сезгіштігінің төмендігі;
— температуралық қатесінің болуы;
Өлшеуіш сұлбаларды термоөтемдеу және күшейткіштермен жабдықталған екінші өте сезгішті аспаптарды пайдалану айтылған кемшіліктерді айтарлықтай азайтуға мүмкіншілік береді.
6 Температураны өлшеуге арналған датчиктер
Температураның датчиктерінде жылулық, сызықтық немесе көлемдік ұлғаю коэффициенттерінің, кедергісінің температуралық коэффицентінің термоЭҚК – нің, әртүрлі заттар қысымының, тығыздығының, жабысқақтығының (тұтқарлығының) температурадан тәуелділігі мүмкіншілігінше ең үлкен мәнді болатын материалдар кең пайдаланылады.
6, а. Температураның сұйық датчиктері температураның ΔӨ өзгеруін капиллярдағы сұйық бағанының ΔҺ биіктігінің өзгеруіне айналдырады.
ΔҺ =
мұндағы ∆V=V(β — 3α) ∆Ө — сұйық көлемінің өзгеруі;
Sk – капиллярдың көлденең қимасы;
β – сұйықтың сызықтық ұлғаюының температуралық коэффициенті;
α – капилляр (ампула) материалының сызықтық ұлғаюының температуралық коэффициенті.
Сұйық бағанының биіктігі түйіспелердің күйіне, омдық, индуктивтік, сыйымдылық кедергілердің өзгеруіне немесе жарық ағынының қарқындылығына әсер етеді.
Жақсы жағы: құастырылымының қарапайымдылығы.
Кемшіліктері: дәлдігінің төмендігі, қысқа уақыт жұмыс істеуі.
6, б. Манометрлік датчиктерге сұйық немесе газ (сынап, ацетон, эфир, спирт, азот, инертті газдар және әртүрлі қоспалар) көлемінің жылулық өзгеруі арнайы мембраналардың, сильфондардың немесе манометрлік датчиктердің ығысуына айналдырады.
Кемшіліктері: инерциялығы, өлшеу диапазонының шектілігі.
6, в. Биметалды және дилатометрлік температура релелердің жұмысы қатты денелердің өзінің сызықтық өлшемдерін температура өзгергенде өзгертетін қасиеттеріне негізделген.
Биметалды температура релелерінде қабылдағыш (сезгіш) орган ретінде екі әртүрлі металдан (биметалдан) дайындалған спираль немесе пластина пайдаланылады. Температура өзгергенде пластина температуралық ұлғаю коэффицентті кіші болатын метал жағынан иіледі. Деформация дәрежелі температураға пропорционал. Өлшемі – 600 С дан +3500 С – ға дейін.
Дилатометрлік датчиктерде температуралық ұлғаю коэффициенті кіші болатын металдан жасалынған сырық температуралық ұлғаю коэффициенті үлкен болатын метал түтіктің ішінде орналастырылады. Максимал температурасы 200… 5500 С. Қыздыру уақытының тұрақтысы – 6… 7 с.
Кемшілігі – қателегінің үлкендігі.
6.2 Кедергінің термометрлерінде (терморезисторларда) кедергінің температурадан тәуелділігі пайдаланылады (мыс, темір, платина, никель).
Өлшеу шегі – 2000 С – дан + 650 С – ға дейін;
платиналық – ТСП – кедергісі: 10, 46, 100 Ом;
өлшеу шегі – 2000 С – дан + 6500 С – ға дейін;
мыс – ТСМ – кедергісі 55 және 100 Ом өлшеу шегі -50С дан +1800С – ға дейін.
Жартылай өткізгіштік терморезиторлардың сезгіштігі өте жоғары болады.
Терморезисторлардың екі тобы болады:
1) кедергісінің температуралық коэффициенті оң таңбалы;
2) кедергісінің температуралық коэффициенті теріс таңбалы.
Термисторларда (оң таңбалы) қабылдағыш (сезгіш) орган мыс – марганецті немесе кадмий – марганецті жартылай өткізгіш ұнтақтан дайындайды.
6, д Электржылулық датчиктер
Мұндай датчиктер температураның өзгеруін электр шамалардың (ЭҚК
немесе кедергі) өзгеріуне түрлендіреді.
Шықпалық шамаға байланысты олар терможұптар (термопара) және термокедергілер болып бөлінеді.
Терможұптар әрекет ету принципі термоэлектрлік эффектіге негізделген. Әр текті екі өткізгіштің балқытып біріктірілген бір ұшын қыздырғанда екінші ұшында термо – ЭҚК – тің (яғни электр тогының) пайда болуына негізделген. Бұл ЭҚК – тің шамасы терможұп ұштарындағы температураның айырмасына тура пропорционалды және оны құрайтын материалдан тәуелді болады.
Температураны автоматты түзету сұлбасы
Пайдаланылатын материалға байланысты терможұптың әртүрлі типтері болады:
ТПП – платинородий (родий 10%) – платина – 1300…16000 С – ға дейін.
ТХА – хромель – алюмель – 13000 С ға дейін;
ТХК – хромель – камель – 8000 С – ға дейін;
Мыс – константан – 500…8000 С – ға дейін.
Жоғары температураны өлшеуге жоғары температурада ғана еритін (баяу балқитын) материалдардан жасалған терможұптар пайдаланылады:
Вольфрам – молибден – 1300…24000 С
Вольфрам – тантал – 400…20000 С
Терможұптардың сезгіштігі: η =
мұндағы ∆Е – температураның ∆t өзгеруіне сәйкес келетін термо ЭҚК – нің өзгеруі.
Әртүрлі типті терможұптардың сезгіштігі әртүрлі болады. Мысалы, хромель – алюмель терможұп 00С – та η = 39мкВ/град, ал 2000С→η13мкВ/град.
Терможұпты сұлбаға қосқанда жұмысшылық емес (бөлшектер) қосылған жерлер температураның өзгеруіне автоматты түзету енгізуді қарастыру керек (сұлбаға қара). ТЖ терможұп тізбегіне көпір жалғанған. Оның бір иініне терможұптың жұмысшылық емес жапсырылған жерінің қасында орналасқан термокедергі Rт жалғанған. Егер терможұптың жұмысшылық емес жерінде температура жоғарыласа, көпір тепе – теңдіктен айырылады да оның шықпасында термо ЭҚК – тің өзгеруін жөндейтін ЭҚК пайда болады.
Терможұптар уақытының тұрақтысы олардың құрастырылымына байланысты секундтың үлесінен бірнеше минутқа дейін болады.
Мысалы: ТХА→40 с; ТХК→17 с.
Термокедергілер. Температураны өлшеудің жоғары дәлдігін термокедергілер қамтамасыз етеді. Олар металдардан немесе жартылай өткізгіштерден дайындалады. Мысалы, платинадан және мыстан. Платинадан дайындалған термокедергілер – 2600 С – дан 13000С – ға дейін термператураны өлшеуге пайдаланылады. Мысалы, ТСП – 5071 – 2000 С – дан + 6000С – ға дейін.
Орташа температураны өлшеуге мыстан, темірден, никельден дайындалған термокедергі пайдаланылуы мүмкін. Мысалы, ТСМ – 5071 – 500 С – дан +1500 С – ға дейін.
Платина термокедергілерге 50…6500 С шегінде оның кедергісі мен температураның өзгеруінің арасындағы тәуелділік мына қатынаспен көретіледі.
Rt = R0 (1+At + Bt2),
мұндағы R0 – t = 00C – дағы кедергі; А = 3,94∙10-3; В = — 5,8 ∙ 10-7 – тұрақты коэффициенттер.
Мыс термокедергілерге
Rt = R0 (1+αt),
мұндағы α = 4,25∙10-3 – температуралық коэффициент.
Термокедергілер белгілі пішінді оқшаулағыш (изоляциялық) материалдан
дайындалған қаңқаға оралған спираль түрінде орындалады. Спираль оралған қаңқа метал немесе шыны тұрықтың ішіне орналастырылады.
Қазіргі кезде жартылай өткізгішті термокедергілер – термисторлар – кең
пайдаланылады.
Мысалы, мыс – марганецті – ММТ
Кобальт – марганецті – КМТ
Жанамалы жылытылатын – ТКП
Температураны – 300С – дан 4500С – ға дейін.
Позисторлар – температуралық коэффициенті теріс таңбалы болатын терморезисторлар.
Мысалы: СТ5 – 1; СТ – 6 – 1А; СТ6 – 1Б; СТ6 – 2Б; СТТ6 – 3Б.
6, д. Термотранзисторлар. Термодиодтар
Температура әсерінен жартылай өткізгіш аспаптардың вольт – амперлік сипаттамаларының пішінін өзгерту (деформациялау) мүмкіншілігіне температураны электрондық сигналға түрлендіру негізделген.
Құрастырылған жағынан қарастырсақ, мұндағы сезгіштік элемент – бір – бірімен шектесетін электрондық және тесіктік электр өткізгіштік облыстары бар монокристалл.
Температура жоғарылағанда кері ток экспонента заңы бойынша өседі.
Белгілі мәнді кері кернеумен өлшеген кедергінің температурадан тәуелділігі мынадай теңдеумен көрсетіледі:
I0 = I01 e (B/T1 – B/T2) ,
мұндағы В =
Германий диодтары термосезкіштігі бойынша жартылай өткізгішті терморезиторлардан асып түседі. (В ≈ 8000К, бұл ПТР – дан екі есе жоғары).
7 Деңгей датчиктері
Деңгей датчиктері – заттың деңгейін қандай болса да белгімен салыстырып өлшеуге арналған құрылғылар.
Автоматты басқару жүйесінде мембраналы, электродты, қалтқылы, сыйымдылықтың және басқа деңгей датчиктер пайдаланылады.
7, а. Мембраналы деңгей датчиктері бункердің не жәшіктің ішіндегі сусымалы мембраналардың деңгейін анықтауға пайдаланылады. Олар сусымалы материалдың белгілі деңгейіне сәйкес келетін күш әрекетінен іске қосылады. (МДУ – 3М)
Мембраналы датчик Электродты датчик
7, б. Электродты датчиктер датчик электродтары арасындағы кеңістіктің активтік немесе сыйымдылықтық өткізгіштігінің өзгеруі бойынша сұйықтық және кейбір сусымалы мембраналардың деңгейін өлшеуге мүмкіндік береді.
Электродты датчиктер қарапайым, дәл және әртүрлі сыйымдылықта деңгейлерді ұзақ уақыт ішінде өлшеуге мүмкіндік береді.
7, в. Қалытқылы датчик сұйық деңгейінің өзгеруін қабылдайтын қалытқыдан және орнын ауыстыруы шықпалық сигналға айналдыратын элементтерден тұрады. (ДПЭ — 1).
7, г. Деңгейдің электронды сигнализаторлары (СУС — 13; ЭСУ – 3; ЭИУ — 2)
Деңгей сигнализаторының жұмыс принципі жоғары жиілікті резонансты әдіске негізделген. Ол әдіс тербелмелі контурдың құрамына кіретін сыйымдылықтың немесе индуктивтік сезгіш элементке бақыланатын орта әрекет еткенде осы тербелмелі контур параметрлерінің өзгеруіне негізделген.
Сигнализатордың электрлік сұлбасында нақты белгіленген жиілікті генератор болады. Генератордың жүктемесі тізбектеп қосылған екі тізбектен тұрады.
Электронды сигнализатордың функционалды сұлбасы
Электронды сигнализатор жұмысын қысқаша былай түсіндіруге болады:
Тербелмелі контурдың сезгіш эементіне СЭ (ЧЭ) бақыланатын орта әрекет еткенде, бастапқы түрлендіргіштің БТ (ПП) кедергісі ең үлкен мәнді болады, генераторда жоғары жиілікті тербелістер пайда болады. Осы кезде жоғары жиілікті аралық реленің ЖЖАР (ВПР) шарғысында кернеу аз мәнді, реле ажыратулы болады. Бақыланатын ортаға датчикті енгізгенде тербелмелі контур резонанстан шығады. Осының нәтижесінде энергия бұзылады, ток кенет өседі, реле іске қосылады.
— Электронды сигнализаторлар материалдың немесе сұйықтың деңгейін оларға түйіспей – ақ өлшеуге мүмкіншілік береді.
— Сезгіштігі және дәлдігі жоғары; әркет етуі жылдам; жылжымалы элементтері жоқ.
Кемшіліктері:
— қабылдағыш элементтің сезгіштігі тек материалдың деңгейіне емес, сондай – ақ оның қасиеттеріне диэлектрлік өтімділігі, сигналдығы де тәуелді келеді;
— құны жоғары;
— бөгелулерден қорғалуы төмен.
8 Бұрыштық жылдамдық датчиктері
— ортадан тепкіш тахометрлік;
— тахометрлік тұрақты токтың;
— тахометрлік айнымалы токтың.
9 Шығын датчиктері
Тік айналмалармен (вертушкалармен) спираль
10 Ылғалдың датчиктері
Тікелей және жанамалы.
Тікелей өлшейтін құрғақ заттың массасы бойынша
W =
Жанамалы – электрлік:
— кондуктометрлік (диэлектриктің шығындары, шығындар бұрышының тангенсі)
— Гигрометрлік – гигроскопиялық заттың (волос — шаш) қасиеті өзгеруі бойынша
11 Сыйымдылықтың бастапқы түрлендіргіштері
Сыйымдылықтың бастапқы түрлендіргіштері – кірмелік шама әрекетінен не астарлар арасындағы қашықтық не астарлардың ауданы не астарлар арасындағы кеңістіктің диэлектрлік өтімділігі өзгеретін конденсатор. Яғни кірмелік шаманың әрекетінен конденсатордың сыйымдылығы өзгереді.
Мұндай қабылдағыш органдар қысымды, сұйық және сусымалы материалдардың деңгейін, орнын ауыстырады, қатты және сусымалы орталардың ылғалдағыш өлшейтін датчиктерінде кең пайдаланылады. Олар сонымен қатар ауылшаруашылық өнімдерінің кейбір сапалық көрсеткіштерін анықтауға да қолданылады.
Сыйымдылық датчиктерді пластинкалардың ара қашықтығы өзгермелі (а), пластинкалардың белсенді ауданы өзгермелі (б, в) және астарлар арасындағы ортаның диэлектрлік өтімділігі өзгермелі (г) секілді үш топқа бөлуге болады.
а) ара қашықтықты өзгертумен б) ауданды өзгертумен
С =
Kg =
Kg =
Жазық датчиктің сыйымдылығы
мұндағы Е0 = 8,85∙ 10-12Ф/м – вакуумның диэлектрлік өтімділігі; Е – пластиналар арасындағы ортаның диэлектрлік өтімділігі.
Ылғалдық датчиктерін және материалдар қасиеттерін анықтайтын датчиктерді құрастырғанда материалдың диэлектрлік өтімділігінің оның қасиеттерінен тәуелділігі пайдаланылады.
Жарық (сыйымдылықтың) датчиктің сезгіштік коэффициенті былай анықталады:
Kg = .
Арнайы диэлектриктік және жартылай өткізгіштік материалдар пайдаланылған сыйымдылықтың қабылдағыш элементтері кең қолданылады. Бұл материалдардан диэлектрик өтімділігі сыртқы әрекеттерге (температурадан, электрлік кернеуліктен, механикалық қысымнан, жиіліктен, радиациялық сәулелерден және т.б.) өте тәуелді келеді.
Олардың қатарына айнымалы сыйымдылықты сегнетокерамикалық конденсаторлар жатады. Олар вариконттар деп аталады (Е=1000…3000). Вариконданың сыйымдылығы кернеуден және температурадан тәуелді. Вариконттарды сезгіштік коэффициенті жоғары болатын температураның бастапқы түрлендіргіші ретінде пайдалануға болады.
Кейбір жағдайларда температураның бастапқы түрлендіргіші ретінде варикондар пайдаланылады. Олар кремнийлік электронды – тесіктік п – р өтпелігі негізінде дайындалған конденсаторлар болады.
Варикондардың вариконттардан артықшылықтары:
— уақыт бойынша параметрлерінің тұрақтылығы;
— диэлектрлік шығындар аз;
— жиіліктен тәуелділігі жоқ:
— тәуелділікті жақсы көрсетеді.
12 Кейбір керамикалық (қыш) диэлектриктердің пьезоэлектрлік
қасиеттері болады. Олардың пьезоэлектрлік қабылдағыш элементтері және датчиктері дайындалады.
Олар кварц пластиналардан жиналады және динамикалық күштерді, моменттерді, тербелістерді өлшеуге пайдаланылады.
Механикалық күш түскенде пластина бетінде электрлік зарядтар пайда болады. Заряд көлемі әрекет ететін күшке пропорционалды, ал оның таңбасы күштің бағытын көрсетеді
U =
мұндағы а – коэффициент (пьезомодуль)
Пьезодатчиктің сезгіштігі
Кд =
Датчиктің сезгіштігін жоғарылату үшін пластиналарды тізбектеп жалғайды.
Кемшіліктері:
— пьезоматериалдың морттығы;
— күшейткіштің қажеттілігі;
— тек динамикалық күштерді өлшеу мүмкіндігі.
13 Трансформаторлық датчиктер
— айналмалы трансформаторлар;
— сельсиндер.
13, а. Айналмалы трансформатордың статоры мен роторында бір – біріне перпендикуляр екі орам орналасқан. Жұмыс істеу принципі кірмелік параметрдің әрекетінен орамдарының өзара индуктивтілігінің өзгеруінде негізделген. Айналмалы трансформаторлар синустық – косинустық айналмалы трансформаторлар (СКАТ) және сызықтық айналмалы трансформатор режимдерінде жұмыс істейді.
13, б. Сельиндерде бір фазалы бірінші және үш фазалы екінші орам болады. Олар трансформаторлық және қашықтықтан басқару режимінде жұмыс істеуі мүмкін.
Қашықтықтан басқару режимінде сельсин датчиктің және қабылдағыштың бірінші орамдары бір электр торабынан коректенеді, ал үш фазалы орамдарды бір – бірімен қосады. Екі сельсиндердің жайы (φдатчик = φқабылдағыш). Датчик — сельсин айналғанда сельсин қабылдағышта электр тогы пайда болады. Осы ток айналмалы момент тудырады.
14 Индуктивтік датчиктер реттелетін шаманың өзгеруін магниттік жүйе индуктивтілігінің өзгеруіне түрлендіреді (деңгей, қысым, орын ауыстыру).
15. Магнитті серпімді датчиктер
Жұмыс істеу принципі күш және температура әрекетінен ферромагниттік денелердің магниттік өтімділігінің өзгеруіне негізделген.
16 Индукциялық датчиктер генераторлық датчиктерге жатады.
Индуктивтік датчиктер аздаған сызықтық немесе бұрыштық ығысуларды электр сигналдарына айналдырады. Олардың әсер принципі катушканың индуктивтік кедергісінің магнит өткізгіштігі саңылаудың өзгерісіне, магнит өткізгіштің катушка ішінде ығысуына не саңылау ауданының өзгерісіне тәуеділігіне негізделген.
Магнит өткізгіші бар индуктивтік катушка қозғалмайтындай болып бекітіледі, ал оның зәкірі ығысуын электр сигналына түрлендіру қажет басқару нысанының қозғалмалы бөлігімен механикалық түрде жалғасады.
Зәкір ығысқанда δ ауа саңлауы өзгеріп, катушканың индуктивтік кедергісі өзгереді. Осының себебінен Uо кернеуі тұрақты болғандықтан І шығыстық тогының шамасы да өзгереді. Жалпы, δ саңылауының үлкеюіне қарай датчиктің сезімталдығы кеми бастайды, сол себепті бұл датчиктерді 2 мм – ге дейінгі ығысуды өлшеу не бақылау үшін пайдаланады. Жұмыс істеу принципі электр – магниттік контурда ЭҚК қоздыруға негізделген.
— сызықтық және бұрыштық ығысу (катушкасы) шарғысы бар.
Индуктивтік, трансформаторлық, магниттік серпімді және индукциялық датчиктер электрмагниттік датчиктер қатарына жатады.
а) жылжымалы зәкірі бар индуктивтік датчик магнит өткізгіші (2) және жылжымалы зәкірі (1) бар индуктивтік катушка (3) түрінде болады;