Линейные датчики УЗИ
Если нет жестких требований к глубине сканирования, для УЗИ покупают «головки» с плоской акустической линзой. Это самый распространенный рабочий инструмент врача-узиста. Глубина сканирования умеренная – до 10-11 см. Частоты – от 5 до 15 МГц. Главное преимущество УЗИ датчика – отличная проникающая способность (нет необходимости вводить его внутрь). Такое оборудование используют для обследования органов, расположенных непосредственно под кожей:
- молочных желез,
- щитовидной железы,
- периферических сосудов;
- тазобедренных суставов.
Посмотреть в каталоге
Цена линейного датчика УЗИ зависит от степени его чувствительности, количества передающих и принимающих каналов. Сканер можно узнать по треугольной, немного приплюснутой форме. Внутри – пьезокристаллическая матрица. Она испускает ультразвук под воздействием электрического тока и принимает отраженные звуковые волны. Процессор обрабатывает полученную информацию, преобразует в графическое изображение и выводит на экран.
Внутриполостной датчик УЗИ
Устройство используют преимущественно в проктологии и гинекологии. Удлиненный УЗИ прибор с маленькой линзой позволяет диагносту изучить состояние глубоко спрятанных в теле человека мышц, сосудов, тканей влагалища или прямой кишки. Повышенная глубина проникновения дает возможность рассмотреть орган в деталях, обеспечивает корректную постановку диагноза.
Достоинства внутриполостного УЗИ датчика:
- мягко проникает в невидимую для врача область;
- позволяет изучить внутренние органы в различных положениях;
- не вызывает болезненных ощущений.
Посмотреть в каталоге
По назначению различают приборы трансвагинальные, трансуректальные, комбинированные. Они работают при частоте 3,5-11,5 МГц. Внутриполостное УЗИ значительно упростило осмотр органов малого таза и предстательной железы. Иногда наконечник немного скошен. Это дает возможность врачу исследовать пациентку в гинекологическом кресле, помогает брать образцы тканей для анализа.
Карандашный УЗИ датчик
Устройство в виде тонкого карандаша применяется в основном кардиологами. Оборудование имеет узкую специализацию и предназначено для наблюдений за кровотоком в венах и артериях. Особенность карандашного датчика – разделенные приемник и излучатель. Благодаря этой особенности, головка принимает миниатюрные размеры. Преобразователь УЗИ с маркировкой CW используется для допплеровских исследований взрослых и детей.
Посмотреть в каталоге
Конвексные УЗИ датчики
Отличаются высокой глубиной проникновения (до 30 см) и пониженной частотой (до 7 МГц). Их используют там, где бесполезны преобразователи других типов. Конвексные датчики применяют для диагностики:
- пищеварительного тракта;
- брюшной полости;
- мочеполовой системы;
- кишечника.
Посмотреть в каталоге
Именно этим прибором сканируют печень, почки, поджелудочную железу. Другое название – прибор для абдоминальных исследований. Визуально отличается от других моделей выпуклой сканирующей головкой.
Микроконвексные УЗИ датчики
Для педиатрии выпускают специализированные сканирующие устройства с малыми габаритами и микроскопической «головкой». Именно таковы микроконвексные датчики. Они значительно меньше по размеру, радиус кривизны у них больше. А вот частоты выше, так как в педиатрических исследованиях большая глубина проникновения обычно не требуется.
Посмотреть в каталоге
Секторные датчики
На пониженной частоте работают и устройства секторного типа. Они применяются для детального исследования локальных участков и области вокруг них. Как правило, секторные датчики покупают для выявления патологий сердца.
Посмотреть в каталоге
Фазированный УЗИ датчик
Органы человека иногда закрывают друг друга и мешают диагносту проводить исследования. Проблему решит фазированный датчик УЗИ. Благодаря кристаллической решетке прибор способен менять угол сканирования. Таким образом ультразвук достигает спрятанных глубоко участков, которые невозможно увидеть другим способом. Устройство нашло применение в кардиологии, гастроэнтерологии, офтальмологии, поскольку позволяет рассмотреть межреберные участки, пищевод, область за глазным яблоком.
Посмотреть в каталоге
Возьмите на заметку! Помимо перечисленных одноплановых, существуют комбинированные датчики УЗИ «линейный+конвексный» или «конвекс+конвекс». Их называют биплановыми.
Специализированные датчики для сложных исследований
Выше рассмотрены основные типы и виды УЗИ сканеров. На самом деле список больше. Ведь медицина требует от науки все более точных исследований. Поэтому УЗИ аппараты оснащают датчиками:
- матричными;
- чреспищеводными;
- биопсийными;
- катетерными;
- лапароскопическими.
Такое оборудование покупают обычно для клиник с узкой специализацией. Поэтому они могут быть не представлены в каталоге. Их заказывают напрямую у производителя УЗИ аппаратуры по запросу.
Уход и обслуживание УЗИ датчиков
По требованиям СанПин обработку сканирующего модуля необходимо проводить после каждого контакта с пациентом. При этом прибор с хрупкой линзой нельзя дезинфицировать в автоклаве или обрабатывать химическими реактивами. Персонал протирает модуль мягкой губкой, смоченной в специальном (мыльном) растворе. При уходе за датчиком УЗИ лучше ознакомиться с рекомендациями производителя.
При бережном обращении прибор исправно выполняет свои функции. При поломке следует обратиться в компанию, которая профессионально занимается ремонтом и обслуживанием сложных технических УЗИ систем.
Резюме
Ультразвуковая диагностика решает разные задачи, но работает по единому принципу. Датчик – основной рабочий модуль любой УЗИ системы. Гинеколог выберет для работы конвексный тип, уролог – эндокавитальный, кардиолог – фазированный секторный. В некоторых областях медицины полезно иметь набор преобразователей с разным принципом действия. Например, на ранних стадиях беременности нужен внутриполостной микроконвексный датчик, на поздних – можно обойтись линейным.
Неинвазивная технология исследования зарекомендовала себя как надежная, удобная и безопасная. Производители УЗИ из Европы и Азии наладили выпуск сверхчувствительных датчиков различного профиля. С их помощью можно тщательно обследовать органы человека практически со всех сторон.
В этой статье поговорим о датчиках положения механизмов. Вообще, принципиальная функция любого датчика — дать сигнал с наступлением какого-то конкретного события. То есть датчик при наступлении события срабатывания активируется, и подает сигнал, который может быть как аналоговым, так и дискретным, цифровым.
В качестве датчиков положения в течение многих десятилетий используются концевые
выключатели. Они состоят из электрических контактов, которые механически
размыкаются или замыкаются, когда какая-либо переменная (положение)
достигает определенного значения. Концевые выключатели различных типов являются важной частью многих систем управления, надежность которых существенно зависит именно от них, т. такие датчики содержат подвижные механические элементы ресурс которых ограничен.
В настоящее время концевые выключатели активно вытесняются различными бесконтактными датчиками. Наиболее распространены бесконтактные датчики положения следующих типов: индуктивные, генераторные, магнитогерконовые и фотоэлектронные. Указанные датчики не имеют механического контакта с подвижным объектом, положение которого контролируется.
Бесконтактные датчики положения обеспечивают высокое быстродействие и большую частоту включений механизма. Определенным недостатком этих датчиков является зависимость, их точности от изменения напряжения питания и температуры. В зависимости от требований выходным аппаратом этих устройств может быть как бесконтактный логический элемент, так и электрическое реле.
В схемах точной остановки электроприводов бесконтактные датчики могут использоваться как для подачи команды на переход к пониженной частоте вращения, так и для окончательной остановки.
Типов датчиков сегодня на рынке множество, однако, в рамках данной статьи осветим тему непосредственно индуктивных датчиков положения, ибо в более чем 80% случаев, в качестве датчиков положения механизмов служат именно индуктивные датчики.
Срабатывание индуктивного датчика происходит в момент приближения металла в его зону срабатывания. По этой причине индуктивные датчики положения еще называют датчиками присутствия, датчиками приближения или просто индуктивными выключателями.
Рассмотрим теперь принцип срабатывания индуктивного датчика. Как говорилось выше, когда металл достаточно сближается с зоной срабатывания, датчик активируется. Явление это заключается во взаимодействии включенной катушки индуктивности с приближающимся к ней металлом, который резко изменяет величину магнитного поля катушки, что и приводит к активации датчика, он срабатывает, на его выходе появляется соответствующий сигнал.
Электронная часть устройства содержит схему управления, которая в свою очередь управляет реле либо транзисторным ключом. Она состоит из следующих частей:
- Генератор, создающий электромагнитное поле, необходимое для взаимодействия с объектом.
- Триггер Шмитта, обеспечивающий гистерезис, когда происходит переключение.
- Усилитель для увеличения амплитуды сигнала, чтобы он достиг необходимого для срабатывания значения.
- Светодиодный индикатор, информирующий о состоянии выключателя. Также с его помощью обеспечивается контроль работоспособности и настройка.
- Компаунд для защиты от попадания вовнутрь твердых частиц и воды.
- Корпус для обеспечения монтажа датчика и его защиты от различных механических воздействий. Изготавливается из латуни или полиамида и комплектуется крепежными изделиями.
Индуктивные датчики положения широко применяются в системах промышленной автоматизации, где необходимо время от времени или постоянно определять положение какой-нибудь части механизма. Датчик подает сигнал, который поступает на исполнительное устройство. В качестве исполнительного устройства может выступать пускатель, контроллер, реле, частотный преобразователь и т. Главное, чтобы параметры датчика соответствовали параметрам исполнительного устройства по напряжению и току.
Датчики в большинстве своем не являются силовыми устройствами, это главным образом сигнальные устройства, по этой причине сам датчик, как правило, ничего мощного не коммутирует, а только управляет, подает сигнал управления, выступает в качестве устройства инициирования того или иного действия, которое уже может быть связано с силовой коммутацией.
Современные индуктивные датчики положения чаще всего встречаются в двух вариантах исполнения пластикового или металлического корпуса: прямоугольной или цилиндрической формы. Диаметр датчика круглого сечения может быть от 4 до 30 мм, но чаще всего применяют диаметры 18 и 12 мм.
При монтаже датчика на оборудование, выставляют зазор между металлической пластиной и зоной срабатывания датчика, обычно это расстояние не превышает диаметра датчика, и как правило, оказывается в 2-3 раза меньше его диаметра.
По способу подключения индуктивные датчики положения бывают двухпроводными, трехпроводными, четырехпроводными и пятипроводными.
Двухпроводные непосредственно коммутируют нагрузку, такую как катушка пускателя, то есть они работают подобно обычному выключателю. Двухпроводные датчики требовательны к сопротивлению нагрузки, поэтому не всегда подходят в качестве надежного инструмента, однако актуальности своей не теряют.
Нагрузка просто подключается последовательно с датчиком, если применяется постоянное напряжение, то важно соблюсти полярность, если переменное — полярность не важна, главное — коммутируемая мощность и ток.
Трехпроводные датчики имеют третий провод для питания самого датчика, и это наиболее популярное решение. Четырехпроводные и пятипроводные датчики имеют транзисторные либо релейные выходы для подключения нагрузки, а пятый провод позволяет выбрать режим работы датчика, исходное состояние выходов.
Поскольку выходы могут быть как релейными, так и транзисторными, то датчики, соответственно, подразделяются на три типа по устройству выходов: релейные, npn и pnp.
Датчики с релейным выходом
Датчик с релейным выходом имеет гальваническую развязку цепи питания от коммутируемой цепи. Коммутирует один провод, и напряжение в коммутируемой цепи не является особо критичным. Поскольку схема питания датчика гальванически развязана, это можно считать достоинством релейного датчика. Датчики данного типа, как правило, крупногабаритны.
Датчики с pnp-транзисторным выходом
Датчик имеет на выходе pnp-транзистор, который осуществляет коммутацию плюсового провода с нагрузкой. В коллекторную цепь выходного pnp-транзистора включается нагрузка, которая вторым своим проводом соединена постоянно с минусом.
Датчики с npn-транзисторным выходом
Датчик имеет на выходе npn-транзистор, который осуществляет коммутацию минусового провода с нагрузкой. В коллекторную цепь выходного npn-транзистора включается нагрузка, которая вторым своим проводом соединена постоянно с плюсовым проводом.
По исходному состоянию выходов, индуктивные датчики положения могут быть с нормально замкнутыми или с нормально разомкнутыми контактами. Исходное состояние обозначает, что это состояние в тот момент времени, когда датчик еще не сработал, то есть не активирован.
Если выходные контакты нормально замкнуты, то нагрузка подключена в неактивное время, если нормально разомкнуты, то пока датчик не сработает, нагрузка будет отключена, и на исполнительный прибор (например контактор) питание подано не будет. Обозначение нормально замкнутых контактов в англоязычном формате — N. (Normal Closed), нормально разомкнутых — N. (Normal Open).
Таким образом, датчики с транзисторными выходами бывают четырех разновидностей: два вида по проводимости (pnp или npn), и два вида по исходному состоянию выходов. Также может быть предусмотрена задержка включения или выключения.
В зависимости от вида исполнительного устройства, которое подключается к датчику, а также от способа его запитки, логика работы датчика может быть положительной или отрицательной. Это связано с уровнем напряжения, которое активизирует вход устройства.
Если вход активируется при подключении минусового провода исполнительного устройства к земле, к минусу, то логика называется отрицательной, такое подключение свойственно датчикам с транзисторными выходами npn-типа.
Положительная логика соответствует подключению при активации плюсового провода исполнительного устройства к плюсу питания, такая логика свойственна датчикам, имеющим транзисторные выходы pnp-типа. Чаще всего встречается положительная логика работы индуктивных датчиков положения механизмов.
Старые наиболее часто используемые типы индуктивных датчиков положения
Индуктивные датчики положения ИКВ-22
Индуктивные датчики ИКВ-22. Работа этих датчиков основана на принципе изменения индуктивного сопротивления катушек со стальным сердечником при изменении воздушного зазора в магнитной цепи.
На стальной плите установлен магнитопровод с двумя катушками, закрытый пластмассовой крышкой. С нижней стороны к плите крепятся два конденсатора типа МБГП (один емкостью 15 мкФ, 200 В, второй —10 мкФ, 400 В). Конденсаторы закрыты крышкой. Подключение кабеля производится через сальниковый ввод. На механизме устанавливается магнитный шунт, размеры которого должны быть не менее: толщина 2 мм, ширина 80 мм, длина 140 мм. Воздушный зазор между магнитопроводом и шунтом равен 6±4 мм.
Выходное реле нормально включено и отключается в момент прохождений магнитного шунта над датчиком, когда из-за изменения индуктивного сопротивления катушки наступает резонанс токов и ток через обмотку реле падает. Данные реле: тип МКУ-48, 12 В переменного тока, ток втягивания не более 0,45 А, ток отпадания не менее 0,1 А. Напряжение питания цепи датчик — реле 24 В переменного тока.
В металлургических цехах используют индуктивные датчики типа ИД-5, рассчитанные для работы при температуре окружающей среды до +80 °С и влажности до 100%. Допустимо присутствие токопроводящей пыли и окалины. В комплекте с датчиком применяют выходной полупроводниковый усилитель типа УИД-10. Выходная мощность усилителя (25 Вт) достаточна для включения широко распространенных реле РЭВ-800, контакторов КП21, МК-1 и т.
Воздушный зазор между датчиком и контролируемым ферромагнитным объектом может достигать 30 мм. Размеры датчика ИД-5 187х170х70 мм, напряжение питания 220 В± ±15%, 50 Гц.
Бесконтактные малогабаритные путевые переключатели БСП
На металлорежущих станках находят применение малогабаритные путевые переключатели БСП-2 (с бесконтактным выходом, на логический элемент) и БРП (с выходом на реле ПЭ-21, 24 В, 16 Ом).
Переключатель БСП-2 состоит из дифференциально-трансформаторного датчика и полупроводникового триггера. Магнитная система первой катушки датчика зашунтирована стальной пластиной, а вторая катушка шунтируется при перемещении над ее магнитной системой связанного с механизмом плоского якоря. Катушки включены встречно.
Если якорь находится над датчиком, индуктивные сопротивления катушек равны и выходной сигнал дифференциально-трансформаторного датчика равен нулю. При этом на выходе триггера появляется напряжение не менее 2,5 В, достаточное для срабатывания логического элемента.
При отсутствии якоря над датчиком на триггер подается напряжение, возвращающее его в исходное состояние. Выходной сигнал переключателя при этом равен нулю.
Принцип действия переключателя БРП во многом аналогичен БСП-2. Внутри корпуса смонтированы индуктивный датчик (по схеме дифференциального трансформатора), триггер и усилитель. Вторичные катушки, имеющие разное число витков, включены встречно. По мере перекрытия якорем магнитной системы датчика сигнал уменьшается, а после изменения его фазы переключается триггер и срабатывает внешнее выходное реле (ПЭ-21, 24 В, 16 Ом).
Якорь, закрепленный на механизме, имеет размеры 80х15х3 мм. Зазор между якорем и датчиком 4 мм. Точность выключателей в номинальном режиме составляет ±0,5 мм, дифференциал срабатывания — не более 5 мм. При. колебаниях напряжения питания и температуры погрешность переключателей БСП-2 и БРП может достигать ± (2,5-f-3,0) мм.
Высокочастотные индуктивные датчики ВКБ
Для автоматизации металлорежущих станков используют также высокоточные индуктивные датчики типа ВКБ с П-образным или плоским якорем. Полюсы встроенного трансформатора образуют разомкнутую электромагнитную систему. Рабочий воздушный зазор равен 0,1—0,15 мм.
Выходное напряжение с вторичной обмотки трансформатора подается на дифференциальную измерительную схему, а затем на транзисторный усилитель. Суммарная погрешность датчика при колебаниях температуры от 5 до 40 °С и напряжения от 85 до 110% номинального значения составляет ±(0,064-0,15) мм, дифференциал срабатывания не превышает 0,4 мм. Максимальная скорость движения механизма равна 10 м/мм. Размеры датчика 62х34х24 мм. Напряжение питания 12 В.
Специальные типы станочных прецизионных индуктивных датчиков с дифференциальной схемой имеют погрешность менее ±0,01 мм. К таким датчикам относится путевой бесконтактный выключатель типа ВПБ12, состоящий из блока датчика электронного блока. В блок датчика входят индуктивный рабочий датчик, индуктивный компенсационный датчик и печатные платы. На механизме устанавливается: управляющий ферритовый элемент. Напряжение питания 12 В постоянного тока. Максимальное расстояние воздействия — не более 0,12 мм. На выходе датчика могут быть включено реле типа РПУ-0. Максимальный ток нагрузки выходного аппарата 0,16 А.
Генераторные датчики положения
Датчики этого типа отличаются компактностью и высокой точностью. Хорошо зарекомендовали себя генераторные датчики серий КВД-6М и КВД-25 (щелевые), КВП-8 и КВП-16 (плоскостные). Они пригодны для использования при повышенной концентрации влаги и пыли. В корпусе из ударопрочного полистирола размещены элементы транзисторной схемы датчика (генератор и триггер). Герметизация выполнена компаундом холодного отвердения. Интервал рабочих температур — от — 30 до +50 °С.
Датчик КВД выдает сигнал дискретной формы, когда через щель проходит металлическая пластина («флажок»), вызывающая срыв генерации и переключение триггера. Ширина щели равна 6 мм у датчика КВД-6М и 25 мм у датчика КВД-25.
Датчики КВП-8 и КВП-16 срабатывают при прохождении мимо них металлической пластины на максимальном расстоянии соответственно 8 и 16 мм.
Схемы включения датчиков, чаще называемые измерительными схемами, предназначены для преобразования выходной величины датчика, а в большинстве случаев это изменение их внутреннего сопротивления, в более удобную величину для её последующего использования. Это, как правило, электрический ток или изменение напряжения, которые можно либо непосредственно определить с помощью электроизмерительного прибора либо, предварительно усилив, подать на соответствующее исполнительное или регистрирующее устройство.
Для этих целей широкое применение получили следующие схемы включения:
- последовательная,
- мостовая,
- дифференциальная,
- компенсационная.
Последовательная схема включения состоит из источника питания постоянного или переменного тока, самого датчика Rx, измерительного прибора или непосредственно исполнительного элемента и, обычно, добавочного сопротивления Rд, которое ограничивает ток в этой цепи (рис. Подобная схема включения, чаще всего, находит широкое применение лишь с контактными датчиками, для которых Rх=0 или же Rх=?.
Рис. Последовательная схема включения датчиков
Так как, при работе с другими датчиками в цепи измерительного прибора всегда протекает электрический ток, определяемый выражением I = U/(Rх + Rд), а незначительное изменение внутреннего сопротивления датчика приводит к очень малому изменению этого тока. В результате используется минимальный участок шкалы измерительного прибора, а точность измерения практически сводится к нулю. Поэтому для большинства других датчиков применяются специальные измерительные схемы, позволяющие значительно увеличить чувствительность и точность измерения.
Наиболее часто используется мостовая схема включения, при которой один, а иногда и несколько датчиков определенным образом соединяются совместно с дополнительными резисторами в четырехугольник (так называемый мост Уинстона), у которого имеются две диагонали (рис. Одна из них, называемая диагональю питания a-b, предназначена для подключения источника постоянного или переменного тока, а в другую, измерительную диагональ c-d, включается измерительный прибор.
Рис. Мостовая схема включения датчиков
При равенстве произведений величин сопротивлений противоположных сторон четырехугольника (плеч мостовой схемы) Rх х R3 = R1х R2потенциалы точек c и d будут равны, и ток в измерительной диагонали будет отсутствовать. Такое состояние мостовой схемы принято называть равновесием моста, т. мостовая схема сбалансирована.
Если же сопротивление датчика Rх от внешнего воздействия изменится, то равновесие будет нарушено и по измерительному прибору будет протекать ток, пропорциональный изменению этого сопротивления. При этом направление этого тока показывает, как изменилось сопротивление датчика (возросло или уменьшилось). Здесь при соответствующем выборе чувствительности измерительного прибора может использоваться вся его рабочая шкала.
Рассмотренная мостовая схема называется неравновесной, так как процесс измерения производится при разбалансе моста, т. нарушении равновесия. Неравновесная мостовая схема чаще всего используется в тех случаях, когда сопротивление датчика при воздействии внешних сил может изменяться за единицу времени очень быстро, но тогда вместо измерительного прибора целесообразнее использовать регистрирующее устройство, которое и зафиксирует эти изменения.
Более чувствительной считается равновесная мостовая схема, в которой в два смежных плеча дополнительно подключается специальный измерительный реостат R (рис. 3), оснащенный шкалой и называемый в измерительной технике реохордом.
Рис. Равновесная мостовая схема
В работе с такой схемой, при каждом изменении сопротивления датчика мостовая схема должна быть вновь уравновешена с помощью включенного реохорда, т. до отсутствия тока в измерительной диагонали. В этом случае, значение измеряемого параметра (изменение величины сопротивления датчика) определяется по специальной шкале, которой оснащается этот реохорд и проградуированной в единицах измеряемой датчиком величины.
Более высокая точность равновесного моста объясняется тем, что отсутствие тока в измерительном приборе зафиксировать легче, чем непосредственно измерить его величину, а уравновешивание моста в подобных случаях, как правило, выполняется с помощью специального электродвигателя, управляемого сигналом разбаланса мостовой схемы.
Мостовые схемы включения датчиков считаются универсальными, т. питание их может осуществляться как постоянным, так и переменным током, а самое главное, в эти схемы могут включаться одновременно несколько датчиков, что способствует повышению не только чувствительности, но и точности измерения.
Дифференциальная схема включения датчиков строится с использованием специального трансформатора, питаемого от сети переменного тока, вторичная обмотка которого разделена на две одинаковые части. Таким образом, в этой схеме (рис. 4) образуются два смежных контура электрической цепи, по каждому из которых протекает свой контурный ток I1 и I2. А величина тока в измерительном приборе определяется разностью этих токов, и при равенстве сопротивлений датчика Rx и дополнительного резистора Rд ток в измерительном приборе будет отсутствовать.
Рис. Дифференциальная схема включения датчиков
При изменении сопротивления датчика по измерительному прибору потечет ток, пропорциональный этому изменению, а фаза этого тока будет зависеть от характера изменения этого сопротивления (увеличения или уменьшения). Для питания дифференциальной схемы используется только переменный ток и поэтому в качестве датчиков здесь целесообразнее использовать реактивные датчики (индуктивные или емкостные).
Особенно удобно применять такую схему включения при работе с дифференциальными индуктивными или емкостными датчиками. При использовании подобных датчиков, фиксируется не только величина перемещения, например, ферромагнитного сердечника (рис. 5), но и направление этого перемещения (его знак), в результате чего изменяется фаза переменного тока, проходящего по измерительному прибору. При этом дополнительно, увеличивается и чувствительность измерения.
Рис. Схема включения индуктивного дифференциального датчика
Следует отметить, что для увеличения точности измерения в некоторых случаях применяют другие разновидности подобных измерительных схем, например, равновесные дифференциальные схемы. В такие схемы включают либо реохорд, либо специальный измерительный автотрансформатор со специальной шкалой, а процесс измерения с подобными схемами аналогичен измерениям с равновесной мостовой схемой.
Компенсационная схема включения датчиков считается самой точной из всех рассмотренных выше. Работа ее основана на компенсации выходного напряжения или э. датчика равным ему падением напряжения на измерительном реостате (реохорде). Для питания компенсационной схемы используется только источник постоянного тока и применяется она, в основном, с генераторными датчиками постоянного тока.
Рассмотрим работу этой схемы на примере использования в качестве датчика термопары (рис.
Рис. Компенсационная схема включения термоэлектрического датчика
Под действием приложенного напряжения U по измерительному реостату протекает ток, который вызывает падение напряжения U1 на участке реостата от его левого вывода до движка. В случае равенства этого напряжения и э. термопары – ех ток через измерительный прибор будет отсутствовать.
Если величина э. датчика изменяется, необходимо с помощью движка реохорда снова добиваться отсутствия этого тока. Здесь, как и в равновесной мостовой схеме, величина измеряемого параметра, в нашем случае – температуры (э. термопары) определяется по шкале реохорда, а перемещение его движка выполняется, чаще всего, также с помощью специального электродвигателя.
Высокая точность компенсационной схемы обусловлена тем, что в момент измерения электрическая энергия, вырабатываемая датчиком, не потребляется, так как ток в цепи его включения равен нулю. Эту схему можно применять и с параметрическими датчиками, но тогда необходим дополнительный источник постоянного тока, используемый в цепи питания параметрического датчика.
Более в глобальном смысле, датчик — это физический или биологический инструмент, чаще всего являющийся составной частью более крупной системы, задачей которой является улавливание сигналов из окружающей среды и их распознавание.
Датчик на современном автоматизированном промышленном предприятии
В автоматических системах каждый регулятор имеет измерительное устройство, контролирующее величину параметра.
Любое измерение осуществляется чувствительными органами, реагирующими на изменение измеряемой величины.
Например, измерение температуры может быть произведено термометром сопротивления, состоящим из металлической проволоки. Сопротивление этой проволоки зависит от температуры. Каждой температуре соответствует определенное сопротивление. Поэтому, измеряя сопротивление, можно определить температуру.
Измерение давления можно производить манометрической пружиной. Каждому давлению внутри пружины соответствует определенная ее деформация. Измеряя деформацию пружины, можно судить о давлении.
Проволока термометра сопротивления и пружина манометра являются чувствительными органами. Чувствительный орган воспринимает изменение контролируемой величины и преобразует это изменение в изменение другой величины. Поэтому чувствительный орган называют также преобразователем или воспринимающим органом.
В автоматических системах к измерителю предъявляются специфические требования. В этом случае недостаточно, чтобы значение измеренного параметра было указано стрелкой или цифрой, а нужно, чтобы это значение было передано на следующий за измерителем узел системы. Поэтому все измерения в автоматических системах производятся датчиками.
Датчиком называется преобразователь контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего использования.
По структуре датчики состоят из одного или нескольких элементарных преобразователей, соединенных в единую систему. Важнейшим из них является первый преобразователь, воспринимающий контролируемую величину.
В датчиках различают входную величину, действующую на датчик, и выходную величину, которая является информацией для всех следующих за датчиком элементов системы.
Для термометра сопротивления входной величиной будет температура, а выходной — сопротивление. Для манометрической пружины входной величиной будет давление, а выходной — деформация.
Все датчики делятся на аналоговые, дискретные и цифровые. Это зависит от типа выходной величины (выходного сигнала) датчика.
Дискретные датчики выдают дискретный (прерывистый) выходной сигал, а аналоговые — непрерывный сигнал. Выходные сигналы обоих типов датчиков должны быть преобразованы в цифровой формат (так как компьютерная техника обрабатывает только цифровые данные).
Подробно о различных видах сигналов смотрите здесь: Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы
Аналоговые датчики генерируют выходной сигнал в виде непрерывно изменяющегося напряжения или тока.
Например, аналоговый звуковой датчик может иметь выходной аналоговый сигнал в виде изменяющегося напряжения в диапазоне от 0 до 5 вольт (вольт).
Когда датчик не обнаруживает звука, его выходной сигнал равен 0 В, а когда он обнаруживает самый громкий звук, выходное напряжение составляет 5 В. Такой звуковой датчик может обнаруживать звуковые волны любой интенсивности в пределах своего рабочего диапазона.
Аналоговые датчики более точны, поскольку непреобразованный сигнал имеет более высокое разрешение. К сожалению, аналоговый сигнал более подвержен помехам. Преобразование аналогового сигнала в цифровой влечет за собой потерю данных.
Наиболее простые — дискретные датчики. Они использовались с момента изобретения автоматических систем релейной логики, задолго до распространения программируемых логических контроллеров (ПЛК).
Каждый дискретный датчик передает сигнал ноль-единица (отключено — включено), что позволяет блоку ПЛК игнорировать уровни аналогового срабатывания, мертвые зоны сигнала, время обнаружения и другие параметры, препятствующие измерению.
Этот сигнал может означать «я вижу объект», «давление в машине превышает 5 бар», «привод достиг своего положения», «нагреватель достиг заданной температуры» или иметь множество дискретных значений.
Цифровые датчики генерируют сигналы, состоящие из отдельных битов. Биты могут быть объединены в строки для формирования байтов, состоящих из n битов, передаваемых параллельно.
Примером цифрового датчика является оптический инкрементальный энкодер, встроенный в двигатель. Выход этого датчика определяет изменения положения вала двигателя.
Еще одним примером цифрового датчика является цифровой компас. Он определяет направление, в котором он возвращается, отправляя 9-битное чтение в диапазоне от 0 до 359 (сигнал может принимать 360 возможных значений).
Некоторые цифровые датчики на самом деле являются аналоговыми датчиками со встроенными аналого-цифровыми преобразователями. Настоящие цифровые датчики генерируют цифровой сигнал напрямую.
Выходные данные датчика передаются в виде цифрового сигнала — на качество передаваемого сигнала не влияет длина кабеля, его сопротивление или импеданс, электромагнитные помехи.
Пример дискретного, аналогового и цифрового датчиков можно увидеть ниже на фотографиях.
Смеситель с дискретным датчиком движения
Аналоговый датчик температуры
Цифровой датчик влаждности и температуры для устройств на базе Ардуино
Очень часто начинающие электрики путают датчики и реле. На самом деле это разные устройства: Датчики и реле — в чем разница
Еще одной из наиболее часто используемых классификаций датчиков является классификация, учитывающая вид физического явления, которое используется при работе датчика.
Принимая во внимание способ генерации измерительного сигнала, датчики можно разделить на параметрические и генераторные датчики.
В первой группе датчиков параметр датчика — емкость, индуктивность, сопротивление — также изменяется при изменении измеряемой величины. Такое решение требует вспомогательного источника энергии, включаемого в электрическую цепь, обеспечивающего изменение ее параметров в результате входного сигнала.
К наиболее важным электрическим параметрическим датчикам относятся индуктивные и емкостные датчики, а также термометры сопротивления, фоторезисторы, магниторезисторы и др.
С другой стороны, в датчиках генерации электроэнергии эффектом измеряемой величины на выходе является электрический сигнал. К этой категории относятся, в первую очередь, пьезоэлектрические датчики, термопары, датчики Холла и др.
В качестве датчиков могут быть использованы элементы, у которых между входной и выходной величинами существует однозначная зависимость, т. такие элементы, у которых каждому значению входной величины соответствует только одно определенное значение выходной величины.
Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин называется статической характеристикой датчика. Каждый датчик характеризуется своей чувствительностью и разрешающей способностью.
Датчик стараются использовать только в той области, где его статическая характеристика представляет собой прямую линию. В этом случае чувствительность имеет постоянное значение на всем диапазоне измерений.
Светодиодный светильник с датчиками движения и освещенности
Разрешающей способностью или порогом чувствительности называют то наименьшее значение входной величины, которое вызывает изменение выходного сигнала, превышающее уровень шумов на выходе датчика.
Для получения качественных результатов измерения необходимо, чтобы датчик не оказывал существенного влияния на входную величину.
При измерении, например, температуры термометром сопротивления необходимо, чтобы тепло, выделяемое чувствительным элементом, не искажало измеряемой температуры в точке замера.
В случае измерения числа оборотов мощность, которую потребляет тахогенератор, должна быть намного меньше мощности, передаваемой валом, чтобы обороты вала не изменялись при присоединении тахогенератора.
Существуют датчики, в которых совершается только одно преобразование.
Например, в термометре сопротивления изменение температуры преобразуется в изменение сопротивления. Имеются также датчики, в которых совершается два или более последовательных преобразований.
Так, в датчике, определяющем скорость потока, состоящем из проволочки, обтекаемой током, изменение входной величины — скорости потока — преобразуется в изменение температуры датчика, а изменение температуры — в изменение сопротивления. Сопротивление и является выходной величиной.
Примеры использования датчиков:
Как устроен и работает терморегулятор электрического утюга
Как устроен и работает автоматический регулятор на примере камеры инкубатора
Надежная работа устройства, машины, автоматической системы в значительной степени зависит от правильного выбора и использования соответствующих датчиков: Выбор датчиков, основные принципы и критерии выбора
Термопара для измерения температуры в электрическом котле
В автоматических системах наиболее часто используются датчики температуры, самым популярным видом которых являются термопары.
Термопара используется для замера температуры и состоит из двух проводников, сделанных из различных материалов и называемых термоэлектродами.
При замере температуры на одном конце термопары (называемым свободным) поддерживается постоянная температура, а другой конец (называемый рабочим) помещается в среду, температура которой измеряется.
Подробно про термопары:
Как устроены и работают термопары и термоэлектрогенераторы
Схемы включения и компенсации термопар
Достоинства и недостатки различных датчиков температуры
Области применения датчиков температуры
Применяются датчики температуры практически везде. Любая сфера или производство, где температура объекта влияет на качество работы и итоговой продукции, требует пристального температурного контроля. Например:
- Нефтегазовая, топливная индустрия, энергетика
- Химия, строительство, образование
- Металлургическая промышленность (литейное, прокатное производство, производство металлических изделий, металлообработка)
- Транспортная индустрия, автомобили, спецтехника
- Пищевая промышленность, фармацевтика
- Машиностроение
- Сельское хозяйство (зерно, комбикорма)
Назначение датчиков температуры
Датчиков температуры существует множество типов, каждый из которых характеризуется своими особенностями и предназначением. Но главной задачей остается:
- Измерение температур требуемых объектов с необходимыми точностью, быстродействием и передача информационного либо управляющего сигнала далее в систему
- Реализация обратных связей в АСУТП, предупреждение выхода из строя оборудования
- Отдельные приборы могут служить источниками энергии (основанные на термопарах)
Принцип работы
Основная функция микросхемы DS18B20 — трансформация показаний встроенного датчика температуры в цифровой код. Это преобразование зависит от разрешения преобразования, установленного пользователем, которое варьируется от 9 до 12 бит (0,5°–0,625°С). Если настройки не производились, то установка регистра конфигурации соответствует 12 битам.
Если питание микросхемы осуществляется при помощи «паразитного метода», то контроль логических «0» и «1» невозможен, поскольку на шине будет постоянно дежурить высокий уровень напряжения питания.
После снятия и обработки сигнала с датчика температуры в микросхеме DS18B20 полученные данные в градусах Цельсия сохраняются в виде 16-битного числа с признаком (S), который отвечает за знак «+» или «-» температуры. Структура регистра температуры будет выглядеть так, как показано ниже.
Если показания температуры выше «0», то показатель S=0, если же значение температуры отрицательное, то S=1. Ниже представлена таблица соответствия данных и температуры.
На что необходимо обратить внимание при выборе датчиков температуры
- Температурный диапазон.
- Можно ли погружать датчик в измеряемую среду или объект? Если расположение внутри среды недопустимо, то стоит выбирать акустические термометры и пирометры.
- Каковы условия измерений!? Если используется агрессивная среда, то необходимо использовать либо датчики в корозийнозащитных корпусах, либо использовать бесконтактные датчики. Кроме того, необходимо предусмотреть другие условия: влажность, давление и тд.
- Как долго датчик должен будет работать без замены и калибровки. Некоторые типы датчиков обладают относительно низкой долговременной стабильностью, например термисторы.
- Какой выходной сигнал необходим. Некоторые датчики выдают выходной сигнал в величине тока, а некоторые автоматически пересчитывают его в градусы.
- Другие технические параметры, такие как: время срабатывания, напряжение питания, разрешение датчиков и погрешность. Для полупроводниковых датчиков, важным также являет тип корпуса.
