Требования предъявляемые к датчикам

Датчики используются в самых тяжелых эксплуатационных условиях, поэтому технические и конструкторские требования к ним жестко контролируются.

Различные эксплуатационные факторы при воздействии на датчики искажают измерительную информацию о параметре состояния. Степень их влияния во многом зависит от принципа взаимодействия с объектом (датчики навешиваемые – без внедрения в объект диагностирования либо с внедрением в объект; датчики встроенные в объект диагностирования либо в средство диагностирования) и от принципа их взаимодействия с контролируемой (контактные и бесконтактные) средой. Условия работы датчиков, навешиваемых (или временно устанавливаемых) и постоянно встроенных в объект диагностирования, резко отличаются.

Наиболее тяжелые условия характерны для встроенных датчиков на автомобилях, тракторах и других машинах, так как они должны быть работоспособны при значительных температурных перепадах, например в области двигателя – от -50 до -100° С; кроме этого, могут иметь место температурные удары, например при попадании холодной воды на нагретые датчики. Помимо температурных факторов на постоянно встроенные датчики воздействуют значительные ударные нагрузки в процессе эксплуатации машины, резко повышающие требования по вибро-и ударопрочности, а также они могут подвергаться воздействию агрессивной среды (пары бензина, дизельное топливо, масло, всевозможные очищающие жидкости и т. п.). В связи с этим требования по надежности к встроенным датчикам должны предъявляться более жесткие, чем к навешиваемым.

Для уменьшения или полного исключения влияния на датчики; воздействующих факторов необходимо принимать конструктивные и технологические меры при разработке и изготовлении датчиков.

По условиям эксплуатации измерительный канал средства технического диагностирования можно разбить на две части: первичная аппаратура и вторичная или измерительный тракт, так как датчик устанавливается непосредственно на объект диагностирования, а вторичная аппаратура находится вне объекта. Следовательно, и комплекс воздействующих факторов на обе части измерительного канала будет различен.

Эксплуатационно-технические требования, предъявляемые к датчикам средств технического диагностирования, можно представить в виде трех групп признаков, обусловленных: условиями эксплуатации; видом и характером изменений входной (контролируемой) величины; конструктивными особенностями. Каждая из этих групп признаков имеет свои особенности.

Рассмотрим коротко сущность основных указанных требований

В процессе диагностирования на датчик со стороны объекта влияет комплекс эксплуатационных факторов, из которых основными являются механические факторы (вибрационные и ударные нагрузки) и температурные (температура рабочей среды и объекта в месте установки датчика). В соответствии с этим при разработке датчика к нему предъявляются требования механической прочности; устойчивости к механическим и температурным воздействиям.

В зависимости от режима диагностирования, места установки и способа крепления на объекте датчики должны выполняться либо в обыкновенном исполнении, когда повышенные механические, температурные и другие воздействия со стороны объекта отсутствуют, либо в специальном исполнении (вибропрочном, ударопрочном, виброустойчивом и т. д.).

Обыкновенное исполнение датчика – конструктивное исполнение, не предназначенное для работы в условиях интенсивных механических и температурных воздействий, повышенной концентрации пыли, брызг, взрывоопасной среды.

Вибропрочное (ударопрочное) исполнение датчика – конструктивное исполнение, способное противостоять разрушающему действию вибрационных (ударных) нагрузок и сохранять после их воздействия свою работоспособность. Датчики вибропрочного и ударопрочного исполнений должны быть рассчитаны с учетом воздействия вибрационных нагрузок ускорением до 10 в диапазоне частот от 10 до 300 Гц и ударных нагрузок многократного действия с ускорением до 15″ и длительностью импульса 5-10. мс.

Температуропрочное исполнение датчика – конструктивное исполнение, способное противостоять разрушающему действию высоких (низких) температур и сохранять после их воздействия свою работоспособность. Температуропрочное исполнение датчика должно быть рассчитано на воздействие температур от – 50 °С (при хранении, транспортировке и т. п.) до +200°С (на работающем двигателе), а температуроустойчивое исполнение – на воздействие температур объекта и рабочей среды в процессе измерений до +100°С.

Эти особенности исполнений должны указываться в технических требованиях на отдельные типы датчиков в зависимости от их назначения. Помимо этого при выборе датчика, который наиболее эффективно должен удовлетворять поставленным требованиям, следует иметь в виду, что механические и температурные воздействия со стороны объекта диагностирования могут быть снижены за счет применения специальных амортизирующих устройств, тепловой изоляции и т. п. Возможность применения этих мер должна рассматриваться в каждом конкретном случае отдельно, так как, например, применение амортизирующих устройств (резиновых трубок) для датчика динамических процессов часто искажает измерительную информацию о параметре технического состояния машины.

Удобства монтажа и демонтажа. Это достигается за счет простой формы, небольших габаритов (возможна установка в труднодоступных местах) и конструктивного оформления способа крепления, т. е. присоединительных мест. Датчик, установленный на объекте диагностирования, не должен оказывать какого-либо влияния на его работу, т. е. элемент и узел, к которым непосредственно присоединен или косвенно взаимосвязан датчик должны оставаться работоспособными и выполнять свои функции с сохранением заданных технических характеристик.

Учет особенностей окружающей среды. Эксплуатационные факторы, воздействующие на датчик со стороны окружающей среды при диагностировании машин, можно разделить на три группы: климатические (температура и влажность окружающей среды, атмосферные осадки и солнечная радиация); загрязненность и агрессивность окружающей среды; прочие (акустические шумы, внешние магнитные и электрические поля). В соответствии с этими факторами к датчику предъявляются специальные требования.

По защищенности от воздействия окружающей среды датчики изготовляют в одном из исполнений: пылезащишенное (брызго-защищенное, влагозащищенное) конструктивное исполнение, защищенное от попадания внутрь преобразователя пыли (брызг воды, влаги); герметическое конструктивное исполнение, защищенное от попадания внутрь датчика воды при полном погружении в нее; защищенное от воздействия агрессивной среды – конструктивное исполнение, предназначенное для применения в окружающей среде с содержанием сернистых и углеводородистых соединений, аммиака, окислов азота и др.

По устойчивости к воздействию акустических шумов и солнечной радиации к датчикам предъявляются в каждом конкретном случае требования в зависимости от назначения и условий применения преобразователя. Акустические шумы, характеризуемые максимальным уровнем звукового давления (дБ) в диапазоне частот (Гц), воздействуют в основном на конструкции датчиков больших габаритов. Их действие не зависит от степени амортизации и способа крепления датчика на объекте. Они вызывают разрушительное воздействие так же, как и вибрационные нагрузки. Солнечная радиация вызывает химическое разложение или окисление ряда материалов, быстрое старение пластмасс, разрушение резины, а также ухудшает электрические и механические свойства конструкции.

По защищенности от воздействия внешних магнитных и электрических полей предъявляются требования к датчикам, которые эксплуатируются в условиях магнитных или электрических полей и указываются в техническом задании. Влияние внешних магнитных полей является для датчика «помехой» и может вызвать искажение информации.

Датчики должны быть по возможности малогабаритными и с малой массой, надежно защищенными от механических повреждений, попадания внутрь воды, пыли, масла и других веществ, которые могут вызвать коррозию или порчу механизма. Они должны иметь простую и технологическую конструкцию. Электрические выводы необходимо изготовлять в виде стандартных разъемов, а соединительные провода – надежно защищать изоляцией и экранирующей оплеткой. Для датчиков, эксплуатируемых в условиях воздействия вибрации со стороны объекта и при контроле динамических процессов, следует рассмотреть явление резонанса конструктивных элементов, которое возникает при совпадении частот собственных колебаний датчика с частотами вибрационных нагрузок со стороны объекта диагностирования или с частотой колебаний контролируемой среды в том случае, когда датчик имеет упругую механическую систему. Для предотвращения возможности возникновения резонанса в процессе эксплуатации следует при разработке датчика убедиться в отсутствии резонанса конструктивных элементов в рабочем диапазоне частот вибрации объекта и колебаний контролируемой среды.

Надежность датчика – это свойство преобразователя, обусловленное безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью его элементов и обеспечивающее сохранение его эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Так как преобладающее большинство датчиков относится к системам, которые в случае возникновения в них отказа не могут быть восстановлены в условиях эксплуатации, то датчики можно рассматривать как невосстанавливаемые изделия.

Помимо выше приведенных общих эксплуатационно-технических требований к датчику следует учитывать специальные требования в случае:

• Контактного или бесконтактного способа взаимодействия датчика с рабочей (контролируемой) средой;
• Навешиваемых на объект или встроенных в объект датчиков.

Особые требования следует учитывать в случае применения датчиков, встроенных в объект диагностирования (машину):

• Ресурс встроенных датчиков должен соответствовать ресурсу машины;
• Экономическая целесообразность рассматривается как первостепенный фактор, обосновывающий применение как вообще электронных диагностических средств, так и встроенных датчиков в частности. Экономическая целесообразность определяется улучшением качества, повышением надежности, снижением трудоемкости диагностирования и т. п.;
• Требования к работоспособности и помехоустойчивости более жесткие, чем для навешиваемых датчиков.

Из-за ограниченности объемов в местах установки датчиков их габаритные размеры должны быть минимально технически возможными и экономически рентабельными. Такие возможности в настоящее время имеются. Так, например, можно применять датчики температуры на термисторах (полупроводниковых термосопротивлениях), а датчики давлений тензорезисторные на микропроводе или полупроводниковые (малобазные тензорезисторы).

Особые требования предъявляются по устойчивости к воздействиям вибрационных и ударных нагрузок, так как при эксплуатации могут иметь место низкочастотные апериодические толчки с ускорениями до 10 (при езде по дороге с плохим покрытием) и высокочастотные резонансные колебания (с широким спектром частот), вызванные совпадением собственной частоты вибраций встроенного датчика с частотой вибраций того или иного узла машины (обычно двигателя). С целью гашения вибрационных колебаний необходимо предусматривать специальные крепления датчика (амортизирующие прокладки и т. п.).