Глава 3. Виды датчиков

3.1. Бинарные и цифровые датчики

В системах управления последовательностью событий в основном применяются сигналы типа «включено/выключено», вырабатываемые бинарными датчиками. В любом производственном процессе приходится контролировать тысячи условий типа «включено/выключено».

Бинарные датчики используются для определения положения при механических перемещениях, для подсчета элементов в дискретных потоках (например, числа бутылок на выходе линии розлива), для контроля достижения предельных значений уровня или давления или крайних положений подвижных частей.

Бинарные и цифровые датчики бывают как простыми, состоящими только из выключателя, так и очень сложными. Некоторые цифровые датчики в действительности представляют собой полнофункциональный микрокомпьютер, встроенный в автономное устройство и вырабатывающий либо сигналы типа «включено/выключено», либо кодированные цифровые данные. Ниже описаны некоторые типы датчиков с бинарным выходом – положения, пороговые и датчики уровня.

3.2. Датчики положения

В качестве датчиков положения(position sensor) в течение многих десятилетий используются выключатели. Они состоят из электрических контактов, которые механически размыкаются или замыкаются, когда какая-либо переменная (положение, уровень) достигает определенного значения. Концевые выключатели(limit switch) различных типов являются важной частью многих систем управления, надежность которых существенно зависит именно от них. Они располагаются там, где «происходит действие», и часто подвергаются большим механическим нагрузкам и токам.

На рис. 3.1 показаны нормально разомкнутый замыкающий выключатель (normally open, make-contact switch), нормально замкнутый размыкающий выключатель(normally closed, break-contact switch) и переключатель(change-over switch) в нормальном положении и при срабатывании. На схемах контакты выключателя обычно изображают в нормальном положении.

Рис. 3.1. Различные обозначения выключателей.

Простейшим выключателем является механический нормально разомкнутый однополюсный выключатель(Single-Pole Single-Throw–SPST), показанный на рис. 3.2а.Простое согласование сигналов можно обеспечить с помощью нагрузочного (pull-up) резистора. Когда выключатель разомкнут, с резистора снимается напряжение +5 В, воспринимаемое ТТЛ-вентилем на входе компьютера как одно из ло­гических состояний. Если контакт замкнут, выходной сигнал равен потенциалу «земли», что воспринимается как другое логическое состояние.

Замыкание механического выключателя обычно вызывает проблемы, поскольку контакты вибрируют («дребезжат») несколько миллисекунд, прежде чем замкнуться (рис. 3.2 б). Когда важно зафиксировать только первое касание, как в случае концевого выключателя, принимать во внимание последующие замыкания и размыкания контактов из-за дребезжания нет необходимости. Применение цепи, обеспечивающей небольшое запаздывание выходного сигнала, является одним из способов преодоления эффекта дребезжания контактов.

Рис.3.2. Дребезжание контактов при замыкании выключателя.

Однополюсный двухпозиционный выключатель (Single-Pole Double-Throw – SPDT) может быть типа «разрыв перед замыканием» (Break-Before-Make – ВВМ) или «замыкание перед разрывом» (Make-Before-Break –МВВ) (рис. 3.3). При переключении в первом случае оба контакта разомкнуты на короткое время, во втором – через оба контакта ток кратковременно протекает.

Бороться с дребезжанием контактов в переключателях SPDT можно с помощью специальных схем. Подвижный контакт должен быть заземлен; когда он касается контакта, присоединенного к источнику, напряжение последнего снижается. Подключенная электронная схема должна «уловить» логическое состояние, соответствующее первому касанию контактов, и игнорировать последующее дребезжание.

Рис. 3.3. Переключатели с различными контактными системами:

а –разрыв перед замыканием,б –замыкание перед разрывом.

Существуют другие методы определения положения с помощью бинарных датчиков, некоторые из которых приведены ниже.

• Ртутные выключатели состоят из небольших герметически запаянных стеклянных трубок с контактными выводами. Трубка содержит достаточное количество ртути, чтобы замкнуть контакты. Выключатель размыкает и замыкает контакты при изменении положения (наклона) трубки.

• Магнитоуправляемое герметичное язычковое реле – геркон (reed switch, reed relay) – состоит из двух плоских пружин, запаянных в небольшую стеклянную трубку. Свободные концы пружин находятся друг над другом с очень небольшим зазором между ними. Когда к трубке приближается магнит, пружины намагничива­ются в разных направлениях, притягиваются друг к другу и замыкаются.

• Фотоэлектрические датчики выполнены из материалов, которые изменяют сопротивление или генерируют разность потенциалов под влиянием света. Во многих устройствах достаточно бинарной индикации – есть свет или нет. Фотоэлектрический лучевой детектор состоит из источника светового луча и светочувствительного элемента. Существует много конструкций светодетекторов, которые отличаются в основном тем, отражается или прерывается световой луч фиксируемым объектом. Преимущества светодетекторов – простота, гибкость, низкая стоимость и, главное, фиксация может выполняться без непосредственного физического контакта. На базе фотоэлектрических лучевых детекторов легко строятся измерители частоты вращения, счетчики, датчики положения и т. д.

• Ультразвуковые и микроволновые датчики используются для обнаружения объектов на расстояниях от нескольких сантиметров до нескольких метров. Эти датчики работают в режиме отражения (излучатель и приемник заключены в одном приборе) или на принципе прерывания луча (излучатель и приемник расположены в разных устройствах).

3.3. Пороговые датчики

Разные типы датчиков используются для определения момента, когда аналоговая величина (например, уровень, давление, температура или расход) достигает некоторого порогового значения. Поэтому их часто называют пороговыми датчиками(point sensors, limit sensors). Они обычно используются для подачи аварийного сигнала, а иногда и остановки процесса в случае достижения какой-либо величиной значения, указывающего на опасную ситуацию. Такие датчики должны быть устойчивыми и надежными.

3.4. Индикаторы уровня

Индикатор уровня(level switch) срабатывает, если резервуар заполнен до заданной высоты. Принцип работы зависит от свойств контролируемого вещества – жидкость, цементный раствор, гранулы или пыль. Индикатор может либо показывать текущий уровень, либо выдавать сигнал, когда уровень достигает заданного.

Поплавок, находящийся на поверхности жидкости, при достижении определенного уровня действует как концевой выключатель. Герконы являются идеальными выключателями для жидкой среды, поскольку они водонепроницаемы. На поплавке должен быть установлен магнит, чтобы вызвать срабатывание контактов геркона. Для той же цели часто используются фотоэлектрические датчики. Для твердых материалов приме­няются емкостные датчики приближения (proximity sensors). По мере повышения уровня заполнителя из пространства между стенкой сосуда и емкостным зондом вытесняется воздух, и поэтому изменяется емкость образованного ими конденсатора, которую можно измерить стандартными методами. Уровень можно измерить и датчиком давления, помещенным на дно сосуда, поскольку величина давления у дна прямо пропорциональна высоте столба вещества. В этом случае может вырабатываться как аналоговый (индикация текущего уровня), так и бинарный (достигнут пороговый уровень) сигнал.