3-разблокирован. 4. измерительнопреобразовательные элементы
 Скачать 308.67 Kb.
|
22 4. ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Автоматизация процессов освобождает работника от функции управления, т. е. необходимости производить определенные действия для проведения операции в требуемой последовательности и с задан- ными режимами обработки. Автоматизация управления не только по- вышает производительность машины, так как позволяет осуществлять движения (включение, выключение, переключение и т. п.) быстрее, чем их может выполнить рабочий, и централизовать управление не- сколькими процессами в одном пункте, но и улучшает качество, за счет того, что действие на органы управления производится без запаз- дывания и стабильно - с одинаковыми усилиями и перемещениями. 4.1. Назначение и классификация измерительных преобразователей (датчиков) Любая автоматическая система управления и контроля содержит в качестве функционально необходимых элементов один или несколько измерительных преобразователей, или датчиков, служащих для полу- чения первичной информации о состоянии объекта управления. Изме- рительный преобразователь представляет собой устройство, осуществ- ляющее измерение действительного значения управляемой или кон- тролируемой координаты и преобразование этого значения в сигнал, наиболее приемлемый для дальнейшей его передачи по каналу управ- ления. Следует отметить, что один и тот же элемент первичной информа- ции в зависимости от характера применения может выполнять функ- ции измерения и преобразования контролируемого параметра одно- временно, а может осуществлять только преобразование. Так, напри- мер, элементы потенциометрического и индуктивного типа, исполь- зуемые для получения информации об объекте, управляемой коорди- натой которого является линейное и угловое перемещение (рис.4.1,а), нужно рассматривать как датчики, так как эти элементы выполняют функции измерения и преобразования управляемого параметра одно- временно. То же самое можно сказать о емкостном элементе, приме- няемом в системе регулирования концентрации вещества в среде, сиг- нал, на выходе которого меняется за счет изменения емкости конден- сатора, зависящей от концентрации вещества. Однако эти же элементы автоматики, используемые, например, для получения информации о других физических параметрах управления (давлении, скорости или ускорении подвижного объекта) будут выполнять только функции преобразователя (рис.4.1,б), поскольку в качестве измерителей приме- 23 няются другие чувствительные к изменению этих параметров элемен- ты (мембранные или сильфонные приемники давления, акселеромет- ры). Рис. 4.1. Измерительные преобразователи Таким образом, можно заключить, что невозможно произвести четкое разграничение элементов, используемых для получения пер- вичной информации о состоянии регулируемой координаты, на изме- рительные преобразователи (датчики) и преобразовательные устройст- ва. В связи с этим условимся в дальнейшем при рассмотрении элемен- тов первичной информации относить к классу измерительных преоб- разователей или датчиков те элементы, которые допускают одновре- менное выполнение функций измерения и преобразования хотя бы по 24 отношению к одному виду регулируемой координаты какого либо тех- нического объекта управления. Датчики сигналов можно подразделить на два класса: параметри- ческие и генераторные. В основе построения датчиков параметриче- ского типа лежит свойство изменения некоторого параметра датчика при изменении его входной величины, вследствие чего выходная вели- чина меняется. Генераторные датчики производят непосредственное преобразование механической энергии в энергию электрического или иного сигнала управления. По виду измеряемой (преобразуемой) величины различают датчики положения, скорости, ускорения, давления, температуры и других фи- зических величин, являющихся технологическими параметрами, управление которыми необходимо осуществлять при автоматизации производственно-технологических процессов или объектов. По принципу действия различают датчики сопротивления: потен- циометрические, тензометрические, фоторезисторные и терморези- сторные; датчики индуктивности, датчики магнитоиндукционные, ем- костные и др. К датчикам предъявляются следующие требования: - высокая динамическая точность, состоящая в том, что формирова- ния сигнала должно производиться с минимальным искажением; - высокая статическая точность работы; - высокая надежность при работе в условиях, определяемых произ- водственно-технологическими и техническими требованиями; - допустимые габариты и масса; - достаточно высокий коэффициент преобразования, обеспечиваю- щий реагирование датчика на относительно небольшие расстояния между требуемым и действительным значениями управляемой вели- чины; - достаточно высокая мощность выходного сигнала. В соответствии с приведенными требованиями при изучении дат- чиков различных типов необходимо уделить внимание следующим вопросам: - статической характеристике датчика и ее виду; - чувствительности датчика, или коэффициенту преобразования; - разрешающей способности; - шумам, генерируемым датчиком; - наибольшей мощности выходного сигнала; - мощности входного сигнала датчика; - динамическим характеристикам. 25 4.2. Потенциометрические измерительные преобразователи Потенциометрический измерительный преобразователь или дат- чик представляет собой переменное электрическое сопротивление, величина выходного напряжения которого зависит от положения токо- съемного контакта. Потенциометрические датчики предназначены для измерения и преобразования линейных и угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и вычислительных устройствах непре- рывного типа. Иногда потенциометр применяется как преобразова- тельный элемент. В этом случае он сопрягается с каким-нибудь чувст- вительным элементом. По способу выполнения сопротивления потенциометрические дат- чики подразделяются на ламельные и непрерывной намотки. В ламельных потенциометрах используются постоянные сопро- тивления, припаиваемые к ламелям (рис.4.2,а). При движении токо- съемника по контактным ламелям сопротивление меняется. В таких потенциометрах изменение сопротивления может происходить в ши- роких пределах. Рис.4.2. Ламельные потенциометры В потенциометрах непрерывной намотки (рис.4.2,б) переменным сопротивлением служит намотанная на каркас в один ряд тонкая про- волока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник. Сопротивление таких потенциометров лежит в пределах от нескольких десятков ом до десятков килоом. 26 Каркас потенциометра выполняется из материала, обладающего изоляционными свойствами, и имеет форму стержня, кольца или изо- гнутой по дуге пластинки. В качестве изоляционного материала ис- пользуют гетинакс, текстолит, керамику или материал, покрытый не- проводящим слоем окисла. Обмотку изготавливают из эмалированной проволоки, диаметр которой определяет точность потенциометра. Дат- чики высокого класса точности наматываются проволокой диаметром 0,03…0,1 мм, датчики низкого класса – 0,1…0,4 мм. В качестве обмо- точного провода применяют константан, манганин, фехраль и сплавы на основе благородных металлов. Обмотка укладывается на каркас равномерно, поскольку это также влияет на точность работы датчика. Токосъемник (щетка) выполняется из материала более мягкого, чем материал обмоточного провода, во избежание перетирания витков при длительной работе. Движок имеет форму изогнутой упругой пластины для создания контактного давления, которое колеблется от 0,5 до 15 г. В зависимости от характера движения ползунка потенциометры подразделяются на датчики линейного и углового перемещения. Щет- ка датчика линейных перемещений совершает прямолинейное посту- пательное движение, а щетка датчика углового перемещения – круго- вое движение (рис.4.2,б) Принцип действия датчика с непрерывной намоткой состоит в следующем: к зажимам потенциометра прикладывается напряжение постоянного или переменного тока неизменной величины. При пере- мещении движка потенциометра выходное напряжение U вых0 меняется пропорционально входной величине х. Так осуществляется преобразо- вание перемещения в электрическое напряжение. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна, так как справедливо соотношение: r R U U вых = 0 , где U – напряжение питания потенциометра; R – сопротивление об- мотки; r – сопротивление части обмотки, приходящейся на длину пе- ремещения х движка потенциометра (рис.4.3,а) Учитывая, что l x R r = , где - l общая длина намотки, получим kx x l U U вых = = 0 , где - k коэффициент преобразования потенциометра. Для потенциометра углового перемещения при отсутствии нагруз- ки 27 j k U вых = 0 , где - j угол поворота движка от нулевого положения (рис.4.3,б). Рис. 4.3. Датчики с непрерывной намоткой Полученные выражения показывают, что статическая характери- стика линейных потенциометров при отсутствии нагрузки представля- ет прямую, проходящую через начало координат, с коэффициентом наклона k (рис.4.3,в). Приведенная статическая характеристика позволяет заключить, что рассмотренные потенциометрические измерительные преобразова- тели не реагируют на знак входного сигнала, т.е. они относятся к клас- су однотактных элементов. Однако на основе однотактных потенцио- метров можно построить двухтактные измерительные преобразовате- ли, реагирующие на знак входного сигнала (рис.4.4). Рис. 4.4. Двухтактный потенциометрический датчик 28 Для схем, изображенных на рис.4.4,а,б статическая характеристика представляет прямую I, а для схем, приведенных на рис.4.4,в,г – пря- мую II (рис.4.5). Отличие характеристик состоит в их крутизне, кото- рая определяется тем, что при изменении входного сигнала последний отрабатывается в схемах в и г движками, отклоняющимися от ней- трального положения в противоположные стороны на величину x. При этом потенциал точки a возрастает на величину a U , а потенциал точки b получает приращение, равное по абсолютной величине при- ращению потенциала точки a , но обратное по знаку. В результате разность потенциалов b a U U - увеличивается вдвое по сравнению со схемами, где потенциал одной из точек все время сохраняет постоян- ное значение. Рис. 4.5. Статическая характеристика и погрешности намотки Отсюда следует, что схемы с двумя щетками имеют при тех же параметрах потенциометров вдвое больший коэффициент преобразо- вания сигнала по сравнению со схемами с одной щеткой. Рассмотренные идеальные характеристики потенциометрических датчиков могут сильно отличатся от реальных за счет наличия различ- ного рода погрешностей, которые необходимо учитывать при проекти- ровании систем автоматического управления и контроля. Зона нечувствительности. При перемещении движка сопротив- ление включенной части потенциометра изменяется за счет конечного диаметра обмоточного провода. Вследствие этого выходное напряже- ние меняется ступенчато, по мере перехода щетки от витка к витку (рис.4.5). Таким образом, возникает зона нечувствительности, характе- ризующаяся тем, что при некотором незначительном перемещении движка потенциометра напряжение на выходе не изменяется, т.е. по- тенциометр не чувствует этого перемещения. Вследствие этого стати- 29 ческая характеристика потенциометрического измерительного преоб- разователя обладает нелинейностью типа «аналогово-цифровой преоб- разователь» Величина скачка напряжения W U U = D , где W – число витков потенциометра. Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода W l x = D , Для уменьшения порога чувствительности необходимо увеличивать число витков при том же напряжении U и длине намотки l, что соот- ветствует применению намоточных проводов более тонкого сечения. В этом случае характер существенной нелинейности становится менее выраженным и с достаточной степенью точности можно пользоваться усредненной характеристикой, представляющей собой линейную зави- симость. Неравномерность статической характеристики. Непостоянст- во диаметра провода по его длине, а также непостоянство удельного сопротивления и шага намотки приводит к тому, что величина скачка U D и величины зоны нечувствительности x D от витка к витку могут быть различны. Это приводит к неравномерности статической харак- теристики потенциометра. Такая погрешность может устраняться пу- тем улучшения технологии производства намоточных проводов и са- мих датчиков. Погрешность от люфта. Люфт, возникающий между осью вра- щения движка и направляющей втулкой, приводит иногда к наруше- нию токосъема, вследствие чего статическая характеристика может обладать неоднозначностью, параметры которой должны учитываться при анализе высокоточных систем. Для исключения нелинейности ти- па «люфт» и, следовательно, устранения вызванной ею погрешности применяют поджимные пружины, выбирающие люфт. Погрешность от трения. Если величина входного сигнала, при- водящего в движение щетку потенциометра, мала, то из-за трения щетки о намотку потенциометра возникает зона застоя. При дальней- шем увеличении сигнала щетка выходит из зоны застоя, однако, это соответствует уже другому значению входной величины потенциомет- рического датчика, т.е. статическая характеристика соответствует не- линейности типа «зона нечувствительности». Уменьшение погрешно- 30 сти от трения производят путем тщательного регулирования нажима щетки. Погрешность нагрузки. В зависимости от характера нагрузки возникает погрешность датчика, как в статическом, так и в динамиче- ском режиме. Активная нагрузка создает дополнительную неравно- мерность статической характеристики. К преимуществам проволочных потенциометрических измери- тельных преобразователей можно отнести: - простоту конструкции, малые габариты и массу; - возможность получения линейных статических характеристик с высокой точностью; - стабильность характеристик; - возможность работы на переменном и постоянном токе; - малое переходное сопротивление; - низкий температурный коэффициент сопротивления. Недостатками этих элементов следует считать: - наличие скользящего контакта, который может стать причиной от- казов вследствие окисления контактной дорожки, - перетирания витков или отгибания ползунка; - погрешность в работе за счет нагрузки; - сравнительно небольшой коэффициент преобразования и высокий порог чувствительности; - наличие шумов; - подверженность электроэрозии под действием импульсных разря- дов; - ограниченность скорости линейного перемещения или частоты вра- щения (до 100…200 мин -1 ) токосъемника вследствие его вибраций при переходе с витка на виток и повышении при этом уровня динамиче- ского шума; - ограниченная возможность использования на переменном токе по- вышенной частоты (до 1 кГц), обусловленная возрастанием влияния индуктивности и емкости намотки; - низкая износоустойчивость. Стремление преодолеть отмеченные недостатки проволочных по- тенциометрических датчиков, а также расширение круга задач, решае- мых с их помощью, привели к созданию непроволочных прецизион- ных потенциометров с резистивными элементами на основе проводя- щей пластмассы. Однородная по структуре резистивная пленка обес- печивает высокую разрешающую способность, низкий уровень дина- мических шумов и возможность работы при высоких скоростях пере- 31 мещения токосъемника (до 1000 мин -1 ), а малая индуктивность и ем- кость создают благоприятные условия при работе непроволочных по- тенциометров на высоких частотах. Однако эти элементы обладают более низкой точностью и стабильностью, а также имеют большой температурный коэффициент сопротивления и высокое переходное сопротивление в точке контакта. При повышенных требованиях к износоустойчивости потенцио- метрического измерительного преобразователя целесообразно приме- нять фотоэлектрические потенциометрические датчики, или магнито- резистивные потенциометры, в которых отсутствует подвижный токо- съемник. Фотопотенциометр по характеру преобразования сигнала пред- ставляет собой аналог электрического потенциометрического измери- тельного преобразователя. Он имеет резистивный слой 3 и проводя- щий слой 5, нанесенные рядом на изолирующей подложке 4 и разде- ленные между собой полупроводниковым слоем 6 (рис.4.6). Под действием светового потока, передаваемого от источника све- та 1 по светодиоду 2, в освещенном участке полупроводникового раз- делительного слоя образуются фотоэлектроны, в результате чего уча- сток резистивного слоя, соответствующий положению светодиода, электрически соединяется с проводящим слоем. При повороте свето- диода выходной сигнал фотопотенциометра изменяется. Реверсив- ность элемента достигается введением средней точки 7 резистивного слоя. Рис. 4.6. Фотопотенциометр Как видно, отсутствие подвижного трущегося контакта позволяет достичь высокой износоустойчивости. Кроме того, бесконтактные по- тенциометры по сравнению с обычными обладают более низким уров- 32 нем шумов, возникающим в процессе регулирования, высокой надеж- ностью и скоростью регулирования выходного сигнала. Однако точ- ность воспроизведения функциональной зависимости, температурная стабильность и мощность рассеяния фотопотенциометра являются низкими, а переходное сопротивление, определяемое проводимостью полупроводникового слоя в месте попадания светового луча, сравни- тельно высокое. Имеются разработки жидкостных потенциометров с использова- нием в качестве резистивного элемента жидкости керметных потен- циометров, резистивные элементы которых получают спеканием смеси стекла с порошком окиси палладия, серебра или золота с органическим пластификатором, а также потенциометров, базирующихся на новых физических принципах: эффекте Холла, МДП-структурах (металл – диэлектрик – полупроводник), электрохимических явлениях. Однако ни один из видов потенциометров не может полностью вытеснить дру- гой, так как каждый из них наряду с преимуществами, по сравнению с другим видом, имеет и существенные недостатки, и поэтому наиболее рационально может быть использован только в определенных услови- ях. 4.3. Индуктивные измерительные преобразователи Индуктивные датчики (измерители-преобразователи) предназна- чены для измерения сравнительно малых угловых или линейных меха- нических перемещений и их преобразования в электрический сигнал переменного тока. В основу работы индуктивного измерительного преобразователя положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять индуктивность при изменении величины воздушного зазора. Простейший индуктивный датчик состоит из ярма 1, на котором помещается обмотка 2, и якоря 3, удерживаемого пружинами (рис.4.7,а). Ярмо и якорь выполняются из шихтованного магнитомяг- кого материала. Обмотка наматывается медным проводом с малым активным сопротивлением. Принцип действия однотактного индукционного измерительного преобразователя состоит в следующем. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки н R подается напря- жение питания переменного тока с частотой от 50 Гц до нескольких килогерц. Ток, протекающий в цепи обмотки, 2 2 ) ( ) ( L r R U I д н × + + = w , 33 где - д r активное сопротивление дросселя; - w частота питающего напряжения; - L индуктивность обмотки датчика. Рис. 4.7. Однотактный индуктивный датчик Поскольку активное сопротивление д н r R R + = представляет со- бой постоянную величину, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей сопротивления L x L × = w , которая в свою очередь зависит от величины воздушного зазора d . Таким образом, каждому значению зазора d соответствует вполне определенное значении тока I , создающего падение напряжения на резисторе н R : н вых R I U × = представляющее собой выходной сигнал измерительного преобразова- теля. В практически создаваемых измерительных преобразователях ак- тивное сопротивление обмотки д r , а также сопротивление нагрузки намного меньше индуктивного сопротивления, поэтому d d w m p × = × × × × × × × × × @ k W S R U U н вых 2 0 8 4 , 0 10 2 Здесь const k = , так как все входящие величины, кроме d остаются постоянными. Таким образом, напряжение на выходе датчика при изменении за- зора изменяется по линейному закону, т.е. статическая характеристика представляет собой прямую, проходящую через начало координат под 34 углом наклона ) (k arctg = a к оси абсцисс (рис.4.7,б). Это идеальная статическая характеристика. Реальная характеристика приведена на рис.4.7,б сплошной линией. Отклонение ее от идеальной при малых значениях d объясняется до- пущением того, что в м ж м R R << . Если d достаточно мало, то маг- нитное сопротивление железа становится соизмеримым с магнитным сопротивлением зазора и, следовательно, такое допущение вносит со- ответствующую погрешность. Отклонение реальной характеристики от линейной функции при больших значениях d связано с другим до- пущением, согласно которому сопротивление нагрузки н R считается пренебрежимо малым по сравнению с индуктивным сопротивлением. Но при больших значениях d величина индуктивности L становится малой, поэтому индуктивная составляющая L × w соизмерима с вели- чиной ) ( д н r R + , что и определяет искажение характеристики. Анализ принципа действия и статической характеристики одно- тактного индуктивного измерительного преобразователя позволяет отметить следующие его недостатки: - фаза выходного сигнала не зависит от направления перемещения якоря; - для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор 0 d , что приводит к наличию начального значения напряжения 0 U . - на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремя- щаяся притянуть его к ярму. При большой мощности сигнала выход- ной цепи она может принимать существенные значения, что требует введения компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами. Это значительно усложняет устройство. В силу указанных недостатков однотактные индуктивные измери- тельные преобразователи используются только в качестве вспомога- тельных элементов систем. В основных цепях систем управления при- меняют двухтактные индуктивные измерительные преобразователи. Существуют две основные схемы включения двухтактных индук- тивных измерительных преобразователей: дифференциальная и мос- товая. Дифференциальная схема. Такая схема включения индуктивного измерительного преобразователя предполагает наличие трансформа- тора со средней точкой (рис.4.8). Обе обмотки измерительного преобразователя имеют одинаковое число витков W . Сердечники обмоток идентичны по своим характеристикам. Сопротивление 35 идентичны по своим характеристикам. Сопротивление нагрузки вклю- чается между средней точкой обмотки трансформатора и средней точ- кой обмоток измерительного преобразователя. Рис. 4.8. Двухтактный индуктивный датчик При таком включении ток, протекающий по сопротивлению на- грузки, равен разности токов правой и левой половин схемы 2 1 I I I вых - = , а выходное напряжение определяется как ) ( 2 1 н вых R I I U × - = В исходном положении зазоры между якорем и ярмом одина- ковы 0 2 1 d d d = = . Тогда индуктивности каждой половины датчика, определяемые величиной зазоров, 0 2 1 L L L = = . Следовательно, токи 1 I и 2 I равны по модулю, но противоположны по фазе, а ток нагрузки равен нулю, значит и выходное напряжение датчика равно нулю. Таким образом двухтактный индуктивный датчик обеспечивает равенство нулю выходного сигнала ) 0 ( = вых U при нулевом сигнале на входе ) 0 ( = D При перемещении якоря на величину D ширина зазоров изменя- ется: один увеличивается, а второй уменьшается на одну и ту же вели- чину D - = D + = 0 2 0 1 d d d d 36 Это приводит к изменению индуктивностей, так как магнитное сопро- тивление первого зазора растет, а второго падает, что соответствует уменьшению индуктивности 1 L и увеличению индуктивности 2 L . При небольших перемещениях индуктивность изменяется почти по линейному закону. На рис.4.8 изображен график зависимости ) ( D = f L для обеих половин индуктивного датчика. В соответствии с графиком L L L L L L D + = D - = 0 2 0 1 ; . Изменение индуктивностей 1 L и 2 L приведет к нарушению балансов токов: ток 1 I возрастет, а ток - 2 I уменьшится. В нагрузке потечет результирующий ток, создаю- щий выходное напряжение. Мостовая схема (рис. 4.9). Если в дифференциальной схеме рас- сматривать разность токов в нагрузке, то в мостовой схеме следует рассматривать разность падений напряжений на плечах моста, которая определяет выходное напряжение двухтактного индуктивного датчика 2 1 U U U вых - = где Z I U × = 1 1 , а Z I U × = 2 2 Принцип действия мостовой схемы включения аналогичен прин- ципу действия дифференциальной схемы. Рис. 4.9. Двухтактный индуктивный датчик Статическая характеристика двухтактного индуктивного измери- тельного преобразователя представляет собой функцию вида D × = k U вых , что соответствует прямой, проходящей через начало координат под углом ) (k arctg = a к оси абсцисс (рис.4.9). При изменении знака при- 37 ращения входной координаты D фаза выходного сигнала меняется на противоположную. С некоторого значения D реальная статическая характеристика индуктивного датчика не совпадает с линейной харак- теристикой вследствие того, что индуктивность одного из плеч изме- рителя-преобразователя становится малой, а индуктивное сопротивле- ние - × L w соизмеримо с сопротивлением нагрузки r , в связи, с чем появляется завал линейной характеристики. В результате этого стати- ческая характеристика двухтактного индуктивного измерительного преобразователя при некоторой ее идеализации может быть представ- лена нелинейностью типа «насыщение» Чувствительность измерительного преобразователя зависит от на- пряжения и частоты источника питания, сопротивления нагрузки, ин- дуктивности дросселя и начального зазора между якорем и ярмом. С повышением питающего напряжения чувствительность датчика повышается, но это влечет за собой увеличение его габаритных разме- ров и массы. Уменьшение начального зазора 0 d также приводит к повышению чувствительности измерительного преобразователя, однако в целях предотвращения замыкания якоря с ярмом накладываются ограниче- ния на минимальную величину зазора 0 d , согласно которым послед- ний должен быть вдвое больше максимального хода якоря max 0 2 D × = d Разрешающая способность (чувствительность) некоторых измери- тельных преобразователей при тщательной экранировке и балансиров- ке схемы в нейтральном положении якоря составляет сотые доли мик- рометра. Выходная мощность индуктивных датчиков может достигать десятков ватт. Однако с увеличением выходной мощности возрастают габаритные размеры датчиков. Снижение габаритов достигается увеличением частоты, при этом входное усилие уменьшается. Но при больших значениях частоты на- чинают влиять межвитковые емкости, что затрудняет балансировку датчика в нейтральном положении. Двухтактные индуктивные измерительные преобразователи с плоскопараллельным воздушным зазором используются при измене- нии малых перемещений от долей микрометра до 3…5 мм. Трансформаторные индуктивные измерительные преобразо- ватели. Расширить диапазон измеряемых перемещений можно путем применения датчиков, конструктивное исполнение которых приведено на рис.4.10,а,б. 38 Такие измерительные преобразователи допускают измерение пе- ремещений до нескольких десятков сантиметров. Включение их может производиться как по мостовой, так и по дифференциальной схемам. Трансформаторные индуктивные измерительные преобразователи, или индукционные датчики, предназначены для измерения регулируе- мой координаты положения, представляющие собой механическое пе- ремещение малых и больших диапазонов. Принцип действия трансформаторных индуктивных измеритель- ных преобразователей основан на использовании изменения взаимной индуктивности между обмотками при перемещении якоря (рис.4.10,а). Рис. 4.10. Трансформаторные индуктивные датчики Обмотки цепи питания 1 W и 2 W включаются встречно и имеют одинаковое число витков, т.е. W W W = = 2 1 Так как зазор 0 d постоянен, то на величину индуктивности оказы- вает влияние только площадь перекрытия сердечника S , которая из- меняется при перемещении якоря. В нейтральном положении ) 0 ( = D площади перекрытия 1 S и 2 S равны. При перемещении якоря на величину D происходит изменение площадей перекрытия крайних сердечников на S D . Учитывая, что приращение площади S D пропорционально пере- мещению якоря D : D × = k U вых 39 Таким образом, статическая характеристика трансформаторного индуктивного измерительного преобразователя в рабочем диапазоне представляет собой линейную зависимость. К преимуществам индуктивных измерительных преобразователей следует отнести: - отсутствие скользящих контактов (за исключением ферромагнит- ного датчика); - высокую чувствительность; - высокую разрешающую способность; - надежность конструкции; - малую массу и габариты при питании напряжением высокой часто- ты; - более высокий КПД по сравнению с потенциометрическими изме- рительными преобразователями. Недостатками индуктивных измерительных преобразователей яв- ляются: - трудность регулирования, т. е. трудность получения нулевого зна- чения выходного напряжения при нейтральном положении якоря; - возможность работы только на переменном токе; - ограниченность диапазона линейности статической характеристики за счет краевого эффекта, насыщения и других нелинейных свойств магнитопровода; - зависимость коэффициента преобразования от частоты и напряже- ния питания; необходимость экранировки обмоток дросселя. 4.4. Емкостные измерительные преобразователи Емкостный измерительный преобразователь представляет собой конденсатор, в котором изменение расстояния между пластинами, площади перекрытия пластин или диэлектрической проницаемости диэлектрика, помещенного между пластинами, преобразуется в изме- нение емкости. Емкостные измерительные преобразователи можно подразделить на следующие группы в зависимости от выбранного классификацион- ного признака: 1. По назначению емкостного датчика: датчики линейного и угло- вого перемещения, датчики уровня и линейных размеров, датчики тем- пературы, датчики усилий; 2. По конструктивному исполнению на датчики: с плоско- параллельными пластинами конденсатора, с цилиндрической формой 40 конденсатора, с наличием диэлектрика между пластинами, без диэлек- трика; 3. По виду изменяемого параметра конденсатора на датчики: с из- меняемой площадью перекрытия пластин, с изменяемым зазором меж- ду пластинами, с изменяемой диэлектрической проницаемостью. Емкостные измерительные преобразователи работают на перемен- ном токе. Принцип их действия основан на изменении емкости кон- денсатора под воздействием контролируемой координаты управляемо- го объекта. Емкость конденсатора определяется соотношением , 0 d e e S C × × = где - e относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; - S площадь пластины; - d толщина диэлектрика или расстояние ме- жду пластинами; , 10 6 1 9 0 × × = p e 1/м. Как видно из данного соотношения, на емкость конденсатора можно влиять изменением зазора d между пластинами (рис.4.11) площади перекрытия S пластин (рис. 4.11,б), диэлектрической прони- цаемости e вещества, находящегося в зазоре между обкладками конденсатора (рис.4.11,в). Рис. 4.11. Емкостные измерительные преобразователи 41 При измерении линейного перемещения в качестве изменяемого параметра конденсатора можно выбрать величину d (см. рис.4.11,а), тогда статическая характеристика измерительного преобразователя будет нелинейной. В связи с этим такие датчики следует применять в тех случаях, когда диапазон изменения контролируемой величины со- ответствует сравнительно небольшому участку характеристики, на котором ее можно считать линейной. Как правило, величина переме- щения не должна превышать 1 мм. При измерении сравнительно больших линейных перемещений целесообразно использовать в каче- стве изменяемого параметра конденсатора площадь перекрытия пла- стин. Выбор того или иного параметра конденсатора в качестве изме- няемого зависит от характера измеряемой величины. Так, при измере- нии угловых механических перемещений наиболее удобно использо- вать в качестве изменяемого параметра площадь перекрытия пластин (рис.4.12). Статическая характеристика такого емкостного датчика будет линейной. Рис. 4.12. Датчик угловых перемещений Следует отметить, что рассмотренные емкостные датчики не об- ладают свойством реверсивности. Преодоление этого недостатка осу- ществляется путем применения мостовых схем включения двухтакт- ных емкостных измерительных преобразователей (рис.4.13,а При перемещении 0 = D емкости 1 C и 2 C равны 0 2 1 C C C = = Если значение 0 ¹ D , то происходит изменение емкостей 0 0 1 ; 1 0 1 0 1 d d D D - = + = C C C C Выходное напряжение мостовой схемы: 42 D × = D × × = × + - = k U U С С С С U вых 0 1 2 1 2 2 2 d Следовательно, статическая характеристика двухтактного емкост- ного датчика представляет собой линейную функцию (рис.4.13,б). При изменении направления перемещения средней пластины фаза выход- ного сигнала сдвигается на 180 о по отношению к фазе напряжения пи- тания датчика, являющегося опорным напряжением. Следует отметить, что подключение нагрузки приводит к искаже- нию линейности, однако при малых значениях D характеристику с достаточной степенью точности можно считать линейной. Рис. 4.13. Двухтактный емкостной датчик Применение емкостных измерительных преобразователей для из- мерения таких физических параметров, как линейные размеры, кон- центрация вещества, температура, усилие основано на использовании свойства изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от изменения измеряемого параметра, например, при изменении влажно- сти проницаемость воздушного зазора между обкладками меняется. Подобное явление наступает и в случае изменения концентрации, т.е. состава вещества непроизводящей среды (газ, непроводящая жид- кость) в зазоре. Диэлектрическая проницаемость большинства диэлектриков не остается постоянной и при изменении температуры, причем темпера- турный коэффициент их можно считать достаточно высоким. Весьма удобной для использования в качестве диэлектрической прокладки конденсатора, являющейся воспринимающим органом, при изменении температуры в диапазоне o 100 ± считается группа диэлектриков из титановых соединений. 43 Для ряда материалов существует зависимость относительного из- менения диэлектрической проницаемости от величины механических напряжений. Это свойство полагается в основу при построении емко- стных измерительных преобразователей, реагирующих на величину усилий. При этом диэлектрическая проницаемость в зависимости от величины давления P D определяется как ) 1 ( P S x D × + × = e e , где - S чувствительность материала к относительному изменению диэлек- трической проницаемости P S D D = e e / Включение емкостных датчиков с изменяемой диэлектрической проницаемостью осуществляется по мостовой или дифференциальной схемам. Для увеличения чувствительности датчика применяется па- раллельное включение обкладок конденсаторов, для которых создают- ся одинаковые условия, например, в случае измерения усилий на столб из ряда датчиков действует одна и та же сила P , при измерении кон- центрации датчики помещаются в одну и ту же среду и т. п. Преимуществами емкостных измерительных преобразователей яв- ляются: - высокая чувствительность; - большая разрешающая способность при малых значениях входного сигнала; - простота конструкции, - малые габариты и масса; - незначительная величина силы притяжения между пластинами конденсатора; - отсутствие подвижных токосъемных контактов; - высокое быстродействие, так как емкостные измерительные преоб- разователи являются практически безынерционными элементами с передаточной функцией k p W = ) ( К недостаткам емкостных измерительных преобразователей сле- дует отнести: - сравнительно низкий уровень мощности выходного сигнала; - нестабильность характеристик при изменении параметров окру- жающей среды; - влияние паразитных емкостей. Для исключения погрешностей, вызываемых изменением пара- метров окружающей среды (температуры, влажности), элементы емко- стного датчика изготавливают из сплавов с малым температурным коэффициентом расширения и прибегают к герметизации датчика, что 44 в свою очередь устраняет влияние паразитных емкостей, если герме- тичный корпус выполняется в виде экрана. 4.5. Тахогенераторы Тахогенераторы применяются в системах автоматического управления в качестве элементов первичной информации как измери- тельные преобразователи для измерения угловой скорости вращения валов рабочих механизмов, а также в качестве корректирующих эле- ментов, выполняющих функции дифференцирования сигнала или вве- дения обратной связи по скорости. Они представляют собой электро- механические элементы, преобразующие механическое вращательное движение непосредственно в электрический сигнал. Таким образом, в отличие от параметрических измерительных преобразователей (потен- циометрических, индуктивных, емкостных) тахогенераторы являются датчиками генераторного типа. По роду тока тахогенераторы подразделяются на тахогенера- торы постоянного и переменного тока. По способу возбуждения тахогенераторы постоянного тока делятся на магнитоэлектрические, возбуждение которых осуществля- ется при помощи постоянных магнитов, и электрические, имеющие обмотку возбуждения с независимым источником питания. По своему конструктивному устройству и принципу действия тахогенератор постоянного тока принципиально не отличается от обычного генератора постоянного тока малой мощности (рис.4.14). n U â ÎÂ BR рис. 4.14. Тахогенератор постоянного тока Стабилизация тока в обмотке возбуждения (ОВ) достигается по- средством ее питания от источника стабилизированного напряжения и применения температурной компенсации изменения сопротивления обмотки. 45 Особенность работы тахогенератора состоит в том, что якорь обычно включен на постоянное сопротивление R H В системах автоматического управления, работающих на пере- менном токе, в качестве датчика угловой скорости используются асин- хронные тахогенераторы. Асинхронный тахогенератор состоит из статора и ротора (рис.4.15,а). На статоре расположены две обмотки, сдвинутые в про- странстве на 90 0 : обмотка возбуждения, питаемая переменным током постоянной амплитуды и частоты; квадратурная обмотка, служащая источником выходного напряжения U вых . Ротор является полым или короткозамкнутым. При неподвижном роторе работа тахогенератора подобна работе трансформатора с замкнутой вторичной обмоткой. Так как ось маг- нитного потока Ф d перпендикулярна оси выходной обмотки, то в по- следней э. д. с. не индуктируется. Если ротор тахогенератора приво- дится во вращение, в обмотке W q возникает э. д. с. U Wв ОВ Фd BR Фq Wq Uвых Wq Фd а) б) рис.4.15. Асинхронный тахогенератор Теоретически при постоянной амплитуде магнитного потока Ф d выходное напряжение асинхронного тахогенератора является линей- ной функцией скорости вращения. Однако на практике активное и ин- дуктивное сопротивление обмотки возбуждения отличны от нуля, по- этому статическая характеристика U=f(ω) является нелинейной. Диа- пазон скоростей от 0 до ω g , при котором характеристика линейна, счи- тается рабочим диапазоном. |