Что такое дискретный датчик
Первичные средства измерения. Аналоговые и дискретные датчики
Типов и видов датчиков существует огромное множество. Они различаются типом измеряемого параметра, способом измерения, конструкцией, диапазоном измерения, видом выходного сигнала и т.д. Рассмотрим только те типы и виды, которые применяются в инженерных системах зданий.
Аналоговые измерительные датчики – это первичные преобразователи.
Такой тип датчиков применяется в системах непрерывного измерения и регулирования. Принцип действия таких датчиков состоит в том, что при изменении параметра происходит соответствующее изменение его выходного сигнала.
Дискретные измерительные датчики – сигнализаторы, реле и т.п.
Такой тип датчиков применяется, когда необходимо отследить конкретное значение измеряемого параметра для каких либо дальнейших действий.
Эти датчики устанавливаются там, где отсутствует необходимость получения всех значений измеряемого параметра, там, где необходимо знать, достиг ли параметр какого-либо конкретного значения. В этом случае измерительная система выдает сигнал только при достижении заданного ограничительного значения.
Датчики (измерительные преобразователи ) температуры.
Физический смысл работы преобразователей температуры (термосопротивлений) основан на изменении сопротивления применяемого в качестве чувствительного элемента металла в зависимости от температуры среды, в которую он погружен. Пропуская через этот элемент электрический ток, мы можем получить зависимость изменения напряжения от температуры. Раньше в качестве такого металла применялась медь. Были медные чувствительные элементы с сопротивлением 50 Ом или 100 Ом при 0ºС. Их недостатком было то, что при значительных длинах проводов, которые соединяли их с вторичными устройствами, сопротивление кабеля было соизмеримо, а то и больше, чем сопротивление самих датчиков. Это, естественно, вносило погрешности в измерения, которые необходимо было компенсировать. Сейчас от этой проблемы ушли, применяя металлы, имеющие 500 Ом или 1000 Ом при 0ºС. Это платина (Pt) и никель (Ni). Поэтому сегодня в инженерных системах чаще всего применяются датчики типа Pt 1000.
В современных системах чаще используются погружные термопреобразователи сопротивления, чувствительный элемент которых непосредственно погружен в измеряемую среду, и накладные, которые измеряют температуру поверхности, предполагая, что она приблизительно равна температуре самой среды. В качестве дискретных датчиков температуры чаще всего применяются манометрические термометры. Это устройства, в которых чувствительным элементом является термобаллон, который соединен капиллярной трубкой с сильфоном. При изменении температуры термобаллона изменяется давление в системе и сильфон перемещает механизм, который заканчивается контактными устройствами. Часто можно услышать название таких датчиков – сигнализаторы температуры или термостаты. Бывают также и
биметаллические датчики.
Датчики (измерительные преобразователи ) давления и перепада давлений.
Датчики давления, как и датчики температуры, бывают аналоговые и дискретные.
Раньше использовались мембранные и сильфонные датчики, принцип действия которых был основан на механическом перемещении (сжатии или расширении) данных чувствительных элементов при изменении давления среды. Далее эти чувствительные элементы имели шток, перемещающийся в магнитном поле и меняющий величину, например, магнитной индукции. Сейчас в качестве чувствительных элементов все чаще применяют тензорезисторы. При сжатии или расширении такого резистора меняется его сопротивление. А дальше, так же, как и в термопреобразователях сопротивления, данный резистор включается в электрическую схему. Дискретные датчики давления рассчитаны на необходимость фиксации конкретного значения давления или перепада давления. Для этого применяются электроконтактные манометры и дифманометры, в качестве чувствительных элементов которых применены трубчатые пружины и мембраны.
Датчики (измерительные преобразователи) влажности.
Датчики влажности
Почти все современные аналоговые датчики влажности имеют емкостной чувствительный элемент. Их принцип работы основан на изменении емкости чувствительного элемента при изменении влажности. Далее этот чувствительный элемент включен в измерительную схему вторичного прибора. Достаточно часто встречаются совмещенные аналоговые датчики влажности и температуры. Таким образом, в точке отбора, где требуется измерение этих двух параметров, устанавливается один прибор вместо двух. Такой датчик имеет два независимых выходных сигнала – один по влажности, другой по температуре.
Дискретные датчики влажности отличаются от аналоговых наличием контактной группы, срабатывающей только при заданном значении. Такие датчики также называют гигростатами.
Датчики (измерительные преобразователи) расхода.
В системах измерения встречаются ультразвуковые, индукционные, вихревые аналоговые расходомеры и термомассовые расходомеры. Дискретные датчики расхода могут быть выполнены в виде крыльчатки, вращающейся в потоке жидкости. С такого датчика сигнал выдается в виде импульса при совершении каждого полного ее оборота. Считая эти импульсы можно организовать учет количества жидкости, прошедшей через прибор за определенное время. Такие датчики могут называться также сигнализаторами расхода.
Сигнализаторы также могут быть выполнены в виде заслонки, установленной поперек потока. Чем больше расход, тем больше давление потока на ее поверхность и больший угол ее отклонения от вертикального положения. При определенном угле отклонения срабатывает контакт и выдается сигнал о наличии расхода. Такие сигнализаторы расхода часто называют реле протока.
Датчики (измерительные преобразователи) уровня жидкости
Аналоговые датчики уровня – это те же датчики дифференциального давления, т.к. любой столб жидкости создает разность давлений между верхним и нижним уровнем.
Дискретные датчики уровня (фактически это датчики наличия жидкости) построены на принципе электропроводности жидкости и состоят из минимум двух электродов, через которые проходит электрический ток. При погружении их в воду образуется замкнутая электрическая цепь. В частности такие системы применяются в дренажных приямках для измерения наличия уровня в них воды.
Датчики (измерительные преобразователи) качества воздуха.
В системах вентиляции и кондиционирования воздуха все чаще поддерживаются не только температура и влажность воздуха, но и его качество, т.е. количество углекислого газа, озона, таких примесей как, сигаретный дым, запах пота, алкоголя, выхлопных газов и т.д. Для измерения этих параметров применяются датчики определяющие наличие в воздухе каких-то отдельных веществ, например углекислого газа, и датчики анализирующие качество воздуха по комплексу присутствующих в нем примесей.
Такие датчики также могут быть аналоговыми и дискретными.
Остались вопросы? Не стесняйтесь задавать их:ФОРМА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
1. Типовые компоненты и датчики контрольно-диагностических средств/ М – во образования Респ. Беларусь, Учреждение образования «Полоц. гос. ун – т». – Новополоцк: ПГУ, 2004. – 382
2. Фрайден Д. Современные датчики/ Дж. Фрайден. – Москва: Техносфера, 2005. – 588 с. – (Мир электроники)
4. Школа автоматчиков. УРОК №5. Основы автоматизации
5. Бейлина, Р.А. Микроэлектронные датчики/ Р.А. Бейлина, Ю.Г. Грозберг, Д.А. Довгяло. Новополоцк: ПГУ, 2001. – 307 с.
Что такое дискретный датчик
Сразу хочу сказать, что типов и видов датчиков неимоверное множество. Они различаются типом измеряемого параметра, способом измерения, конструкцией, диапазоном измерения, видом выходного сигнала и т.д. Мы же будем рассматривать только те типы и виды, которые применяются в наших с Вами инженерных системах зданий.
Что такое датчик? Давайте для себя просто определим, что это устройство, с помощью которого мы измеряем значение какого-либо технологического параметра.
Перейдем к конкретике.
Аналоговые измерительные датчики – первичные преобразователи. Такой тип датчиков применяется в системах непрерывного измерения и регулирования. Принцип действия этих датчиков состоит в том, что при изменении параметра происходит соответствующее изменение его выходного сигнала. Дискретные измерительные датчики – сигнализаторы (датчики-реле). Такой тип датчиков применяется, когда необходимо отследить конкретное значение измеряемого параметра для каких либо дальнейших действий. Эти датчики устанавливаются там, где отсутствует необходимость получения всех значений измеряемого параметра. Часто нужно знать, достиг ли параметр какого-либо конкретного значения. В этом случае измерительная система выдает сигнал только при достижении заданного ограничительного значения.
Датчики (измерительные преобразователи ) температуры.
Поэтому в качестве аналоговых датчиков можно применить так называемые термопреобразователи сопротивления. Физический смысл их работы основан на изменении сопротивления применяемого в качестве чувствительного элемента металла в зависимости от температуры среды, в которую он погружен. Пропуская через этот элемент электрический ток, мы можем получить зависимость изменения напряжения от температуры. Раньше в качестве такого металла применялась медь. Были медные чувствительные элементы с сопротивлением 50 Ом или 100 Ом при 0 гр.С. Их недостатком было то, что при значительных длинах проводов, которые соединяли их с вторичными устройствами, сопротивление этих проводов было соизмеримо, а то и больше, чем сопротивление самих датчиков. Это, естественно, вносило погрешности в измерения, которые необходимо было компенсировать. Сейчас от этой проблемы ушли, применяя металлы, имеющие 500 Ом или 1000 Ом при 0?С. Это платина (Pt) и никель (Ni). Поэтому сегодня в инженерных системах чаще всего применяются датчики типа Pt 1000.
В наших системах используются погружные термопреобразователи сопротивления, чувствительный элемент которых непосредственно погружен в измеряемую среду, и накладные, которые измеряют температуру поверхности, предполагая, что она приблизительно равна температуре самой среды. Когда какие применять, мы рассмотрим при изучении автоматизации конкретных систем. В качестве дискретных датчиков температуры чаще всего применяются манометрические
термометры. Это устройства, в которых чувствительным элементом является термобаллон, который соединен капиллярной трубкой с сильфоном. При изменении температуры термобаллона изменяется давление в системе и сильфон перемещает механизм, который заканчивается контактными устройствами. Часто можно услышать название таких датчиков – сигнализаторы температуры или термостаты. Еще нам понадобится биметаллический датчик. Но о нем поговорим, когда будем рассматривать автоматизацию электронагревателей.
Датчики (измерительные преобразователи ) давления и перепада давлений. Датчики давления, как и датчики температуры, бывают аналоговые и дискретные. Раньше использовались мембранные и сильфонные датчики, принцип действия которых был основан на механическом перемещении (сжатии или расширении) данных чувствительных элементов при изменении давления среды. Далее эти чувствительные элементы имели шток, перемещающийся в магнитном поле и меняющий величину, например, магнитной индукции. Сейчас в качестве чувствительных элементов все чаще применяют тензорезисторы. При сжатии или расширении такого резистора меняется его сопротивление. А дальше, так же, как и в термопреобразователях сопротивления, данный резистор включается в электрическую схему. Дискретные датчики давления рассчитаны на необходимость фиксации конкретного значения давления или перепада давления. Для этого применяются электроконтактные манометры и дифманометры, в качестве чувствительных элементов которых применены трубчатые пружины и мембраны.
Датчики (измерительные преобразователи) влажности. Почти все современные аналоговые датчики влажности имеют емкостной чувствительный элемент. Их принцип работы основан на изменении емкости чувствительного элемента при изменении влажности. Далее этот чувствительный элемент включен в измерительную схему вторичного прибора. Достаточно часто встречаются совмещенные аналоговые датчики влажности и температуры. Таким образом в точке отбора, где требуется измерение этих двух параметров, устанавливается один прибор вместо двух. Такой датчик имеет два независимых выходных сигнала – один по влажности, другой по температуре. Дискретные датчики влажности отличаются от аналоговых наличием контактной группы, позволяющей срабатывающей только при заданном значении. Такие датчики также называют гигростатами.
Датчики (измерительные преобразователи) расхода. В наших с Вами системах встречаются ультразвуковые, индукционные, вихревые аналоговые расходомеры и расходомеры, в которых измерение расхода выполняется путем измерения разности давлений на так называемом сужающем устройстве с последующей обработкой значений параметра по соответствующей формуле. В частности, такие расходомеры входят вместе с термопреобразователями сопротивления в комплект теплосчетчиков. Дискретные датчики расхода могут быть выполнены в виде крыльчатки, вращающейся в потоке жидкости. С такого датчика сигнал выдается в виде импульса при совершении каждого полного ее оборота. Считая эти импульсы можно организовать учет количества жидкости, прошедшей через прибор за определенное время. Сигнализаторы также могут быть выполнены в виде заслонки, установленной поперек потока. Чем больше расход, тем больше давление потока на ее поверхность и больший угол ее отклонения от вертикального положения. При определенном угле отклонения срабатывает контакт и выдается сигнал о наличии расхода. Такие сигнализаторы расхода часто называют реле протока. Датчики (измерительные преобразователи) уровня жидкости Аналоговые датчики уровня – это те же датчики дифференциального давления, т.к. любой столб жидкости создает разность давлений между верхним и нижним уровнем. Дискретные датчики уровня (фактически это датчики наличия жидкости) построены на принципе электропроводности жидкости и состоят из минимум двух электродов, через которые проходит электрический ток. При погружении их в воду образуется замкнутая электрическая цепь. В частности такие системы применяются в дренажных приямках для измерения наличия уровня в них воды.
Типы датчиков
Какие датчики мы можем использовать в системе управления
Датчики можно классифицировать по типу выходного сигнала на дискретные, аналоговые и цифровые.
Датчики с дискретным выходом. Наиболее частоиспользуемые датчики:
1. Индуктивные. Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в чувствительную зону выключателя металлического, магнитного, ферромагнитного материала. При подаче питания в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в зону материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. Применяют для обнаружения, подсчета и позиционирования металлических объектов. Зона срабатывания 0-20 мм.
2. Емкостные. Между датчиком и окружающей средой существует электростатическое поле. Датчик работает на определение изменения емкости в этой цепи. Между окружающей средой и датчиком существует электростатическое поле, при изменении емкости в данном поле (при попадании в поле любого объекта) происходит срабатывание. Применяют для обнаружения, подсчета и позиционирования металлических и неметаллических объектов, а также для контроля уровня жидкости и сыпучих веществ в резервуарах. Зона срабатывания 0-50 мм.
3. Фотоэлектрические. Состоит из источника (излучателя) и приемника оптического излучения, которые могут располагаться в одном корпусе (моноблочные датчики) или в разных корпусах (двухблочные датчики). Источник датчика создает оптическое излучение в заданном пространстве, приемник реагирует на отраженный от объекта световой поток или на прерывание его. Применяют для обнаружения и подсчета металлических и неметаллических объектов. Зона срабатывания 0-10000 мм.
4. Механические. Принцип действия основан на механических контактах. Контроллируемый объект задевает подвижную часть датчика, происходит переключение контактов датчика. Применяют для обнаружения любых объектов, чаще используются как аварийные концевые выключатели.
5. Магнитные (герконы). Герконовый датчик содержит два контакта из ферромагнитного сплава, заключенных в колбу. Если к контактам поднести магнитный элемент – они замыкаются, образуя непрерывную электромагнитную сеть. Чаще всего применяют для обнаружения положения поршня пневмоцилиндров исполнительных устройств.
6. Световые барьеры. Представляют собой колонны с установленными через определенный шаг оптическими датчиками. Используются для контроля безопасности установленной зоны.
Датчики с аналоговым выходом.
1. Датчики с аналоговым выходом чаще всего существуют в виде первичного преобразователя и преобразующего устройства. Это могут быть: измерители уровня, рН-метры, расходомеры, амперметры, вольтметры, тензометрические датчики и др.
2. Датчики давления. Предназначены для измерения избыточного давления в гидро- и пневмосистемах, системах водоподготовки и теплоснабжения, котельной автоматике, автоматике водоканалов, тепловых пунктах, объектах газового хозяйства и т.п.
Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы
Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.
Аналоговым называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.
Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.
Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени.
На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.
Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.
Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.
Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.
Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.
Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.
Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).
Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым. То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.
Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.
На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.
Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.
Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.
В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.
Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:
Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию. Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.
Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: