Современная индустрия нуждается в качественной автоматизации, при современных сложностях технологических процессов проходящих на конкретном производстве.  Естественно для осуществления автоматизации того или иного технологического процесса требуются определенные технические средства. Они могут контролировать параметры таких физических величин как температура, давление – разряжение, скорость, расход, масса и т.д.

Так же технические средства управления технологическими процессами могут быть включены в единые системы управления, то есть вся информация по технологическому процессу отображается на одном пульте управления и дает возможность оператору (диспетчеру) наблюдать за всеми  ступенями производства одновременно.

Это позволяет существенно снизить риск внештатных ситуаций (аварий), вести качественный контроль производства, а так же держать технологический процесс в заданных, необходимых рабочих параметрах. Сокращенно данный вид контроля технологического процесса принято называть АСУТП (Автоматизированная Система Управления Технологическими Процессами).

В любой автоматизированной системе управления применяются датчики, приборы, непосредственно контактирующие с измеряемой величиной или средой. Принципы работы датчиков могут существенно отличаться друг от друга, так как каждый датчик адаптирован на измерение своего параметра (температура,  давление, влажность) технологической среды (газ, жидкость, твердое вещество), а так же их конструкция и принцип работы зависят от измеряемого диапазона физической величины.

Я для себя условно разделил датчики по принципу работы на три типа: контактные, аналоговые и цифровые.
Начнем с контактных, принцип их работы основан на коммутации измеряемой величиной токов цепей управления. Вот простой пример, компрессорная установка с автоматическим аварийным отключением при достижении избыточного давления.

Принцип работы прост, имеется контактный датчик мембранного типа. этот датчик снабжен нормально замкнутыми контактами, диафрагмой (мембраной) диэлектрическим штоком соединенным механически с подвижным контактом. Шток находиться внутри пружины, которая давит на мембрану.

На рисунке, схематически изображена компрессорная установка. Так же принципиальная электрическая схема цепей управления.

Все это работает следующим образом:

К сети 380 В подключен пускатель, с фазы (А) взято питания на цепь управления. Питание приходит на кнопку пуск, которая зашунтирована блокирующим контактом пускателя К1.2, при нажатии на кнопку "пуск" питание попадает на кнопку "стоп" и беспрепятственно зпитывает цепь магнитной катушки КМ 1, с КМ 1 питание проходит по нормально замкнутым контактам датчика и поступает на нулевой провод, то есть цепь катушки КМ 1 замыкается. КМ 1 включает три фазных контакта и замыкает блокирующий контакт, при отпускании кнопки "пуск" токи будут проходить через блокирующий нормально разомкнутый контакт, что обеспечит омывание катушки КМ 1 током без постоянного нажатия кнопки "пуск" .

Двухпозиционное регулирование.

Применяя более совершенные датчики контактного типа можно осуществлять двухпозиционное регулирование или контроль над определенным технологическим процессом.

Например, в вышеописанном случае был представлен принцип аварийного отключения компрессора при достижении критического (избыточного) давления в емкости ресивера. Но в данном случае, при устранении избыточного давления, например через естественный расход воздуха, компрессорная установка самостоятельно не запустится. Для ее запуска потребуется нажать кнопку «пуск», что не всегда удобно, так как требует участия рабочего персонала (машиниста, оператора). Так, в первом случае у нас осуществлялось однопозиционное регулирование.

Так вот, задача автоматизации включения и отключения компрессора по заданным (рабочим) параметрам осуществима при помощи датчиков двухпозиционного регулирования. Например, для нормальной работы пневматической установки (отбойного молотка, пневмодвигателя и тд.) нам требуется рабочий диапазон давлений от 2,5 до 4 кгс/см2 , у нас имеется вышеописанная компрессорная установка. Для решения данной задачи нам потребуется два электромагнитных реле, и уже имеющийся пускатель включающий электродвигатель компрессора, так же будет необходим датчик с функцией двухпозиционного регулирования. В качестве датчика можно применить ЭКМ (электроконтактный манометр) соответственно с диапазоном работы от 0 до 5 кгс/см2.

И так, как все это работает?

Для защиты цепей управления применен автоматический выключатель QF1. В качестве  датчика двухпозиционного регулирования применен электроконтактный манометр (ЭКМ), два промежуточных реле.

Остановимся на устройстве ЭКМ. Этот прибор представляет собой манометр, измерительный механизм которого механически связан с электрической контактурой. Прибор имеет три стрелки, на рисунке красной стрелкой обозначен верхний уровень, синей – нижний уровень. Черная стрелка показывает текущие показания давления, так же как на обычном манометре. Каждая из стрелок механически связана со своим контактом, а стрелка текущих показаний связана с двойным контактом. Двойной контакт обеспечивает реализацию коммутации с верхним и нижним уровнями и является общим. На рисунке возле каждой стрелки схематически показаны все контакты.

Принцип работы ЭКМ прост, при достижении нижнего уровня, показывающая стрелка падает до стрелки нижнего уровня, замыкая контакты общего и нижнего уровней. То же самое происходит и при достижении показывающей стрелки верхнего уровня. При нахождении рабочей стрелки между верхним и нижним уровнями, вся контактура принимает нейтральное – разомкнутое положение. Нижний и верхний уровни, можно настраивать пользователю для достижения нужного  диапазона давлений.

В нашем случае манометр настроен на диапазон  от 2,5 до 4 кгс/см2. То есть  установка включится при минимальном давлении 2,5 кгс/см2 и выключиться при достижении  установленного верхнего предела в 4 кгс/см2.

И так, непосредственно работа схемы.
При включении автоматического выключателя QF1 происходит запитывание цепи управления, а именно фаза (А)  попадает на общий контакт ЭКМ. Если в ресивере давление меньше или равно 2,5 кгс/см2, то общий контакт будет  замкнут с контактом нижнего уровня. Это  приведет к запитыванию катушки реле КМ 3, через нормально разомкнутый контакт К 2.1. Катушка притянет свои контакты К3.2 и К 3.1 . К 3.2 зашунтирует контакт нижнего уровня и общего (это необходимо для удержания во включенном состоянии реле КМ 3 при нагнетании давления в ресивер и как следствие мгновенного разрыва общего и нижнего контактов). К3.1 включит контакты питания электродвигателя компрессора.

В рессивере,  начинает рости  давление, показывающая стрелка перемещается в сторону верхнего уровня.  При достижении его замыкается цепь катушки КМ2. КМ2 притягивает контакт К2.1 и разрывает цепь катушки КМ3. КМ3 отпускает свои контакты К3.2 и К3.1. Разрывая свой шунт и останавливает питание КМ1, что приводит к откидыванию силовых контактов и как следствие остановке компрессора.  При снижении давления в рессивере до нижнего уровня процесс повторяется.

Естественно в данной установке в качестве дополнительной защиты можно применить реле давления аварийного отключения, его контакты должны присоединиться сразу после автоматического выключателя. Дополнительная защита – гарантия безопасной работы!

Всем этим вопросам посвящена следующая статья.
И так, само слово аналог – аналоговый говорит само за себя. Аналог – аналогичный то есть подобный похожий. Вот и с физическими параметрами и величинами так же.

Аналоговые датчики преобразуют воздействующую на них физическую величину, в какой либо электрический параметр (ток, сопротивление, напряжение, электрическая емкость и тд.), по модулю прямо пропорциональный модулю воздействующей физической величины. То есть чем больше воздействие физической величины на датчик, тем больше он изменяет свой электрический параметр. А чем меньше такое воздействие, тем меньше изменяется электрический параметр датчика. Еще такие датчики можно назвать параметрическими. Они точно копируют воздействующую на них физическую величину в свой электрический параметр.

В качестве примера можно привести датчик параметрического типа для измерения температуры жидких и газообразных сред. Термосопротивление ТСП.
Принцип работы прост, в металлической трубке находится чувствительный элемент датчика – проволока, выполненная из материала, проводимость которого сильно зависит от температуры. Еще к чувствительному элементу припаян провод температурной компенсации, он требуется прибору, считывающему показания с датчика. Термосопротивление подключается к регистрирующему прибору в большинстве случаев тремя проводами.

Как видно на рисунке, два провода возле чувствительного элемента замкнуты накоротко. Эта петля измеряется прибором регистрации показаний, точнее ее сопротивление. Потом прибор производит замер сопротивления чувствительного элемента, после чего от сопротивления чувствительного элемента прибор отнимает сопротивление термокомпенсационной петли. Результат действий выводит на дисплей в виде текущей температуры измеряемой среды. Если бы датчик не имел провода температурной компенсации, то сопротивление проводов от прибора к датчику учитывались бы прибором, в свою очередь значительно увеличивая погрешность производимого измерения.

На точность измерения так же влияет помеховая обстановка и длинна протяженности – удаленности датчика от прибора. С компенсацией длинны так же борется термокомпенсационная петля, а как быть с помехами?
Для подавления влияния помех на измерение применяют экранированные трехпроводные кабели, от датчика к прибору. При заземлении экрана, помеха, как правило пропадает и точность измерения существенно увеличивается.