датчики положения. датчикм положения. Датчики положения
 Скачать 1.65 Mb.
|
Датчики скоростиДатчики скорости. ДС – это преобразователи угловой скорости двигателя или скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал. Аналоговые ДС – тахогенераторы постоянного и переменного тока, тахометрические мосты, магнитоиндукционные. Цифровые датчики скорости используют в современных системах автоматического электропривода с большими диапазонами регулирования скорости и высокими требованиями к точности. Цифровой ДС содержит: а) датчик импульсов (преобразователь скорости в последовательность прямоугольных импульсов с частотой, пропорциональной скорости); б) счетчик импульсов (преобразователь, формирующий на интервале измерения цифровой код an-1 an-2 …a1 a0 (двоичное число скорости). в) генератор импульсов, формирующий либо заданный интервал измерения, либо счетные импульсы, подсчитываемые на интервале измерения, определяемом периодом импульсов датчика импульсов; г) индикатор (блок индикации скорости) для контроля скорости.  Наиболее широкое применение получили цифровые ДС с фотоэлектрическим импульсным преобразователем. Преобразователь датчика вырабатывает 2 серии импульсов, сдвинутые по фазе на π/2, что необходимо для определения величины и знака угловой скорости. На двух дорожках кодового диска расположены пропускающие свет щели. В каждом канале свет от светодиода СД через щель попадает на фотодиод ФД, который открывается и появляется ток JФД. Он усиливается усилителем УС. Триггеры Шмитта ТШ формируют на выходе прямоугольные импульсы U1 и U2 с постоянной амплитудой, сдвинутые по фазе на П/2. Выделение импульсов из каналов преобразователя для положительного fω или отрицательного f –ω направления скорости осуществляется логическим узлом ЛУ. Счетчик СИ, получая сигналы fω (f – ω) от ЛУ, считает число импульсов N за заданный интервал времени: N = f ω T = (M·T/2π)·ω, где ω – угловая скорость входного вала, М – число импульсов за 1 оборот диска (число щелей), T = 1/fГИ – заданный интервал времени в цикле, fГИ – частота импульсов генератора ГИ. Дискретность датчика скорости: Δω0 = ω/N = 2π / TM. Относительная погрешность измерения, обусловленная дискретностью процесса: δ = (Δω0 / ω)·100 = (2 π / Т М ω)·100. При М = 600 имп/об, Т = 0,1 с для ω = 100 с-1 - δ = 10%. Высокую точность измерения скоростей можно обеспечить так: подсчитывать число импульсов генератора fГИ, вмещающихся на изменяемом интервале времени, определяемом частотой импульсов преобразователя из выражения Т = 1/fω. Однако с ростом ω в этом случае будет возрастать погрешность измерения: δ = (ω / fГИ · 2 π) ·100. Комбинация описанных способов счета импульсов позволяет получить высокоточный цифровой датчик в широком диапазоне измерения скорости. 2.6 Датчики температурыБиметаллические преобразователи В них осуществляется преобразование теплового воздействия в механическое перемещение воспринимающего элемента или в изменение его электрических параметров. Воспринимающим элементом датчика с механическим перемещением является биметаллический элемент 1 (2 соединенные металлические пластинки с разными тепловыми коэффициентами расширения). При нагреве она прогибается. Усилие, развиваемое при нагреве, используется для приведения в действие исполнительной части контактов.  1 – биметаллическая пластина; 2 – упругий рычаг; 3 – штифт; 4 – регулировочный винт; 5 – корпус. Если к пластине подвести электрический ток, то основной характеристикой датчика является зависимость времени срабатывания tСР от тока I, протекающего через пластину. tСР = ТН ln I2/(I2 - IСР2) , где ТН – постоянная времени нагрева реле. Достоинства: простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость, возможность совершения механического перемещения. Недостатки: значительные размеры и инерционность, ограниченный диапазон измерения температуры (от - 40 до + 550 0 С), большой разброс характеристик, а также большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах. Термометры сопротивления Термометр сопротивления это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий зависимость электрического сопротивления от температуры R1 = R0 (1 + α (T1 – T0)), где R0 – сопротивление при 0 °C, R1 – сопротивление при температуре T1, α – температурный коэффициент, зависит от материала датчика. R0 в большинстве случаев выбирают равным 100, 500 или 1000 Ом, для медных датчиков – 10 Ом. Самый популярный тип термометра – платиновый ТС, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Свойства термометров сопротивления
Достоинства: хорошая линейность характеристики, высокая точность и стабильность, высокая взаимозаменяемость в широком диапазоне температур. Недостатки: низкая чувствительность, относительно большая инерционность, необходимость трех- или четырех-проводной схемы подключения, чувствительность к ударам и вибрациям, необходим источник тока, высокая стоимость Термопары Принцип действия – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов. Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2-0,3 °С. Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении. Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрам-рениевые термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов. Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов. Рекомендации по выбору типа термопары
Рекомендации по работе с термопарами: - Использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не будет изменять температуру объекта измерения; - Если необходимо использовать миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки, следует использовать ее только в месте измерения, вне объекта следует использовать удлинительные провода; - Избегать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки; - Если необходимо использовать очень длинные термопары и удлинительные провода следует экранировать провода и тщательно перекручивать выводы; - По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары; - Использовать защитный чехол при работе во вредных условиях, чтобы обеспечить надежную защиту термопарной проволоки; Достоинства термопар: широкий температурный диапазон (-270 … +2500 0С), простота производства, низкая стоимость, износоустойчивость, не требует дополнительных источников энергии. Недостатки: нелинейная характеристика, относительно низкая стабильность, низкая чувствительность, измерение низких ЭДС может осложниться электромагнитными шумами и наводками, необходима компенсация холодных спаев. Термисторы Термисторы - это, по сути, термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC ( с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы (позисторы) используются только в очень узких диапазонах температур, несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля. Зависимость сопротивления термистора от температуры Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой R(T) = A exp(b/T) где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров. Однако сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта 1/T = a+b(lnR)+c(lnR)3 где T – температура в К; R – сопротивление в Ом; a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С. Типичный 10 кОм-ый термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 °С примерно равные: a = 1,03 10-3 , b = 2,93 10-4 ,c = 1,57 10-7. Конструкция и материалы Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток. Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 °С. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 °С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС. Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения. Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике. Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С). Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С. Достоинства термисторов: высокая чувствительность сопротивление-температура, малая инерционность, высокое сопротивление, что устраняет необходимость четырех-проводного включения, малый размер, низкая стоимость, высокая стабильность. Недостатки: нелинейная характеристика, невысокий рабочий диапазон температур (от -60 до +300 °С), взаимозаменяемость только в узком диапазоне температур, необходим источник тока. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||