Czujniki, mierniki i przetworniki pomiarowe, mierniki [Heinrich]

Czujniki pomiarowe to cyfrowy lub analogowy element automatyki w systemach czasu rzeczywistego występujący między sterowanym urządzeniem a komputerem (mikrokontrolerem), który wysyła do komputera sygnały o stanie urządzenia. Czujnik to pierwszy element toru pomiarowego przekształcający wielkość mierzoną w sygnał pomiarowy.

Istnieje wiele metod klasyfikacji czujników pomiarowych. Jedną z ważniejszych jest podział ze względu na zjawiska fizyczne wykorzystywane jako podstawa do realizacji czujnika. Ze względu na sposób powstawania sygnału pomiarowego, czujniki można sklasyfikować w dwóch podstawowych grupach – elektryczne czujniki pomiarowe parametryczne (np. termometry rezystancyjne, tensometry, czujniki pojemnościowe, czujniki indukcyjnościowe, magnetorezystory, fotorezystory) oraz elektryczne czujniki pomiarowe generacyjne (termopary, czujniki piezoelektryczne, hallotrony, fotoogniwa, czujniki indukcyjne).

Z uwagi na skalę integracji czujniki można podzielić na:

• czujniki proste – przetwarzają fizyczną wielkość mierzoną na wielkość elektryczną

• czujniki zintegrowane – posiadają w swojej strukturze elementy przetwarzające (np. wzmacniacze, przetworniki A/C, filtry, a nawet układy scalone)

• czujniki inteligentne –zawierają więcej elementów dodatkowych, w tym mikroprocesory czy specjalizowane układy scalone, przez co mogą realizować bardzo złożone funkcje, znacząco upraszczając system pomiarowy

Czujnik pomiarowy, jako element wdrażany w systemach automatyku, stanowi bardzo szerokie zagadnienie. Zawężając ten obszar do kilku wybranych rozwiązań, warto przybliżyć charakterystykę czujników indukcyjnych, pojemnościowych, optycznych, ultradźwiękowych, ciśnieniowych oraz tensometrycznych.

Rodzaje czujników pomiarowych

Czujniki indukcyjne reagują w momencie zbliżania się metalu do pola czujnika. Wykorzystują one zjawisko zmieniającego się pola elektromagnetycznego w zakresie przemieszczania się elementu metalowego. W zależności od typu, czujnik pomiarowy indukcyjny jest zasilany napięciem przemiennym (90-250 V) lub stałym (10-30 V). Wyjście w standardowym czujniku indukcyjnym ma postać sygnału dwustanowego. Często stosowane są czujniki z wyjściem tranzystorowym o polaryzacji NPN oraz PNP.

Czujniki pojemnościowe to elementy, w których impedancja zmienia się wraz z pojemnością układu w stosunku do wykrywanego materiału (np. ciecz, metal). Pojemnościowy czujnik pomiarowy charakteryzuje się dużą trwałością, a także brakiem konieczności przeprowadzania czynności konserwacyjnych. W jego przypadku istotny jest brak występowania zjawiska wielokrotnych drgań oraz iskrzenia styków, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie częstotliwości zliczania o znacznych wartościach.

Czujniki optyczne najczęściej oparte są na nadajniku modulowanego promieniowania podczerwonego IR, a także na odbiorniku oraz czułym detektorze promieniowania IR.Główną grupę tego typu czujników stanowią urządzenia posiadające zespolony nadajnik i odbiornik.Optycznyczujnik pomiarowy zostaje przełączany w momencie przerwania wiązki światła. Czujniki optyczne można podzielić m.in. na standardowe, szczelinowe, do detekcji kolorów, do wykrywania kolorowych znaczników, analogowe, do detekcji materiałów przezroczystych, laserowe, inteligentne czujniki obrazu czy też do pomiaru odległości.

Czujniki ultradźwiękowe pozwalają na bezdotykowe wykrywanie obiektów z jednoczesną możliwością określenia bezwzględnej odległości czujnika od obiektu. Czujniki tego typu pracują jako odbiciowe oraz refleksyjne. Często stosuje się je do pomiaru poziomu ciał stałych, cieczy czy też proszków oraz granulatów. Czujniki ultradźwiękowe cechują się dużą precyzją pomiaru oraz wysoką rozdzielczością.

Czujniki ciśnienia to elementy o bardzo szerokim zastosowaniu (m.in. przemysł motoryzacyjny, inżynieria maszynowa oraz narzędziowa, systemy chłodzące, instalacje hydrauliczne i smarujące, hydraulika mobilna, stacje ciśnieniowe, systemy dystrybucji bieżącej wody i ścieków). Czujnik pomiarowy ciśnienia stanowi nieodłączny element optymalizacji czasu trwania cykli roboczych oraz obwodów regulacyjnych. Standardowe czujniki tego rodzaju mogą pracować w zakresie ciśnienia względnego od 0 do 10 barów, przy napięciu zasilania 14–30 V. W przypadku czujników analogowych na wyjściu jest sygnał napięciowy 0,1–10 V i prądowy 4–20 mA.

Czujniki tensometryczne, nazywane również tensometrami, są ważnym elementem wag elektronicznych. O zastosowaniu konkretnego czujnika decyduje w głównej mierze zakres oraz rodzaj obciążenia, a także sposób połączenia z innymi elementami wagi oraz temperatura pracy urządzenia. Czujniki tensometryczne charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, dużą odpornością na wstrząsy i drgania, wysoką czułością oraz dokładnością, a także możliwością sprawnego działania w ekstremalnych warunkach atmosferycznych.

Czujnik pomiarowy to istotne urządzenie w armaturze przemysłowej, wykorzystywane m.in. w sektorze wodno-kanalizacyjnym, w branży procesowej, HVAC, w rurociągach do produkcji dyskretnej, automatyce budynkowej, sektorze spożywczym, chemicznym oraz petrochemicznym, a także energetyce, ciepłownictwu czy maszynach i urządzeniach produkcyjnych.

Przetworniki pomiarowe w układzie

Częścią układów pomiarowych, obok czujników, są przetworniki pomiarowe, które służą do przetwarzania (z określoną dokładnością oraz z uwzględnieniem odpowiednich praw fizycznych) sygnału pomiarowego, a więc sygnału zawierającego informacje o wartościach mierzonych wielkości fizycznych oraz związkach zachodzących między nimi. Przetworniki pomiarowe dzieli się na parametryczne (wielkość mierzona wejściowa wywołuje zmianę parametru obwodu, nie powodując generacji dodatkowej energii) oraz generacyjne (wielkość mierzona wejściowa powoduje generację sygnału wyjściowego prądowego lub napięciowego).