ЭСА лек.. Содержание введение датчики
 Скачать 1.19 Mb.
|
|
Тахогенераторы Для контроля угловой частоты вращения «Ω» обычно применяют маломощные электрические машины – тахогенераторы (ТГ) постоянного и переменного тока. Тахогенераторы постоянного тока выполняют с возбуждением от независимой обмотки возбуждения и от постоянного магнита (рис. 24,а,б).  Рис. 24. «Тахогенераторы постоянного тока с возбуждением: а) от независимой обмотки; б) от постоянного магнита» Подвижную часть ТГ - якорь соединяют с контролируемым валом. При вращении якоря в постоянном магнитном поле, созданном обмоткой возбуждения ОВ или постоянным магнитом N-S, в ней наводится ЭДС вращения, и через щётки на нагрузку  поступает выходное напряжение  , пропорциональное угловой частоте вращения «Ω»: ,где:  – чувствительность датчика.Достоинства ТГ постоянного тока: 1. Малые размеры и вес; 2. Хорошая линейность статической характеристики; 3. Высокая точность; 4. Малая инерционность; 5. Возможность контроля не только угловой частоты, но и направления вращения (по полярности выходного напряжения). Недостаток: Пониженная надёжность из-за наличия скользящего токосъёма (коллектор–щётки). Пример применения: контроль скорости движения сосудов на подъёмных установках. ТГ переменного тока, бывают синхронные и асинхронные. В синхронном ТГ вращающаяся часть – ротор, выполнена в виде постоянного магнита N-S, а на статоре размещена неподвижная обмотка (рис. 25,а). При вращении ротора в обмотке статора наводится ЭДС переменного тока и с нагрузки снимается напряжение .В синхронном ТГ об угловой частоте «Ω» можно судить не только по величине , но и по его частоте  .Синхронный ТГ – бесконтактный, отличается высокой надежностью и поэтому широко применяется в автоматике. Недостаток его – невозможность контроля направления вращения. Пример применения: датчики скорости УПДС-2, ДС-2 на ленточных конвейерах. В асинхронном ТГ ротор выполняют в виде тонкостенного цилиндра, а на неподвижной части - статоре размещены две обмотки: обмотка возбуждения ОВ, получающая питание от источника переменного напряжения  , и генераторная обмотка ОГ, к которой подключена нагрузка . Оси обмоток смещены в пространстве на 900 (рис. 25,б).При вращении ротора в переменном магнитном потоке, созданном обмоткой ОВ, в теле ротора наводятся вихревые токи, которые создают переменный магнитный поток  , пересекающий витки генераторной обмотки ОГ; в результате в этой обмотке наводится переменная ЭДС и на нагрузку подается выходное напряжение , функционально связанное с угловой частотой вращения «Ω». При изменении направления вращения ротора фаза выходного напряжения изменяется на 1800, что позволяет контролировать не только величину, но и направление перемещения. Рис. 25. «Тахогенераторы переменного тока: а) – синхронный; б) – асинхронный;» Достоинства асинхронного ТГ: высокая надежность; малая инерционность. Недостатки: нелинейность статической хар-ки, большой удельный вес на единицу мощности. Магнитные тахометры Устройство магнитного (индукционного) тахометра поясняется рисунком 26. Вращающийся от контролируемого вала с угловой частотой «Ω» кольцевой постоянный магнит 1 наводит в теле алюминиевого диска 2 вихревые токи, в результате чего возникает вращающий момент, который, преодолевая момент сопротивления возвратной пружины 3, поворачивает диск на определённый угол относительно шкалы 4. С увеличением «Ω» возрастают вращающийся момент и угол поворота диска, т.е. шкала тахометра может быть проградуирована непосредственно в единицах угловой частоты вращения.  Рис. 26. «Магнитный тахометр» Фотоэлектрические тахометры Аналоговый Принцип действия поясняется рисунком 27. С контролируемым валом соединен диск с отверстиями, по одну сторону которого расположен осветитель ОС, а по другую – фотоэлемент ФЭ. При вращении вала происходит периодическая засветка фотоэлемента, создающая на входе формирователя Ф электрические импульсы с периодом следования:  [с],где:  – число отверстий в диске;  - угловая частота вращения диска, с-1.На выходе формирователя они нормируются по амплитуде  и длительности  .Аналоговый прибор ИП измеряет среднее значение напряжения пропорциональное . Поэтому шкала прибора может быть проградуирована в единицах измеряемой величины [с-1]. [В].Недостаток аналогового фотоэлектрического тахометра – ограниченная точность контроля из-за погрешностей формирователя и измерительного прибора.  Рис. 27. «Фотоэлектрический тахометр с аналоговым выходом» Цифровой Обеспечивает существенно более высокую точность контроля угловой частоты вращения. Содержит, как и аналоговый тахометр, диск с отверстиями, осветитель ОС, фотоэлемент ФЭ и формирователь импульсов Ф. Метод контроля заключается в подсчёте количества выходных импульсов формирователя за фиксированный отрезок времени Т. Для этого в сему тахометра дополнительно введены генератор прямоугольных колебаний стабильной частоты Г, задающий интервал счёта Т, электронный ключ (схема «И»), счётчик импульсов СИ и цифровой индикатор ЦИ (рис. 28). Фронтами прямоугольных импульсов  обнуляется счётчик импульсов СИ, и в течение интервала времени Т, высокого уровня напряжения на выходе генератора Г производится подсчёт количества выходных импульсов n формирователя, которое пропорционально угловой частоте вращения: .Результат счёта фиксируется на цифровом индикаторе ЦИ.  Рис. 28. «Цифровой фотоэлектрический тахометр» Датчики линейной скорости Для контроля линейной скорости широко применяются магнитоиндукционные датчики (ДМ-2, ДМ-2М, ДМИ). Датчик представляет собой разомкнутый ферромагнитный сердечник с постоянным магнитом и катушкой с числом витков  .При изменении скорости движения  контролируемого объекта изменяется магнитное сопротивление  и величина магнитного потока , созданного постоянным магнитом N-S. В результате в обмотке наводится переменная ЭДС  . [В].Чем больше скорость движения скребковой цепи, тем быстрее изменяется во времени магнитный поток Ф, тем больше величина выходного напряжения . Рис. 29. «Магнитоиндукционный датчик линейной скорости» Датчики усилий Применяются четырех основных типов: Механические пружинные В них контролируемое усилие  вызывает деформацию упругого элемента, т.е. преобразуется в механическое перемещение, которое, если необходимо, можно преобразовать в электрический сигнал рассмотренными ранее датчиками перемещения (Рис. 30). Рис. 30. «Пружинный датчик усилий совмещенный с реостатным датчиком перемещения» Магнитоупругие Применяются в двух основных разновидностях: а) Дроссельный. Представляет собой катушку на ферромагнитном сердечнике (Рис. 31).  Рис. 31. «Дроссельный магнитоупругий датчик» Под действием контролируемого усилия , приложенного к сердечнику, происходит упругая деформация сердечника. В результате снижается магнитная проницаемость материала сердечника  , растет магнитное сопротивление : ,снижается индуктивность катушки  ,и ее индуктивное сопротивление  ,что по закону Ома приводит к изменению тока в цепи катушки и измерительного прибора ИП:  где:  , - длина и сечение магнитопровода; - число витков катушки;  - круговая частота питающего напряжения;  - активное сопротивление цепи катушки.  .Достоинства датчика: Простота конструкции, надежность в работе. Недостатки: Нелинейность и недостаточная стабильность статической характеристики. Дроссельные датчики применяют, когда не нужна высокая точность контроля. б) трансформаторный (Рис. 32). Датчик выполнен на двух ферромагнитных сердечниках, к одному из которых приложено контролируемое усилие . Первичная обмотка I охватывает оба стержня и получает питание от источника переменного тока. Две вторичные обмотки II и III соединены встречно-последовательно. При отсутствии усилия ( ), магнитные сопротивления сердечников одинаковы, и переменный магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, распределяется между сердечниками поровну,  . Равны по величине встречно направленные друг по отношению к другу переменные ЭДС  и  , наводимые во вторичных обмотках. В результате выходное напряжение . Рис. 32. «Трансформаторный магнитоупругий датчик» Под действием усилия магнитное сопротивление одного из сердечников увеличивается. Равенство магнитных потоков  ,  и ЭДС , – нарушается, и на выходе датчика появляется напряжение .Достоинства датчика: Лучшая, по сравнению с дроссельным, линейность статической характеристики; возможность получения высокой чувствительности за счет увеличения числа витков вторичных обмоток. Недостаток: Большая сложность. Проволочные (тензорезисторы) Действие их основано на изменении электрического сопротивления проволоки при упругих деформациях сжатия или растяжения. Датчик представляет собой тонкую проволоку или фольгу из высокоомного материала диаметром (толщиной) 0,02-0,05 мм, уложенную зигзагообразно и прикрепленную к листу тонкой прочной бумаги (Рис. 33).  Рис. 33. «Тензорезистор» Датчик наклеивается на исследуемую деталь так, чтобы направление деформации под действием контролируемого усилия совпадало с длинной стороной петель проволоки или фольги. Под действием деформации изменяется длина  и сечение проволоки, а следственно и ее электрическое сопротивление: [Ом],где:  - удельное сопротивление материала проволоки.Для уменьшения температурных и других погрешностей, повышения чувствительности обычно используют два датчика, один из которых работает на растяжение, а другой на сжатие. Датчики включают в два смежных плеча измерительной мостовой схемы (Рис. 34).  Рис. 34. «Мостовая схема включения тензорезисторов» Мост уравновешен посредством резистора  при контролируемом усилии , когда  .Условие равновесия моста:  .Под действием контролируемого усилия происходит упругая деформация детали с наклеенными на нее тензодатчиками. Сопротивление одного из датчиков  – увеличивается, а другого  – уменьшается, равновесие мостовой схемы нарушается, и в измерительной диагонали между точками а и б появляется напряжение  , фиксируемое измерительным прибором ИП.Достоинства проволочных датчиков: 1. малые размеры и вес; 2. безынерционность; 3. стабильность и высокая точность; 4. надежность в работе. Недостаток: Малый уровень выходного сигнала, необходимость его усиления. Тензорезисторы применяются в основном при экспериментальных исследованиях. Пьезоэлектрические Относятся к генераторным датчикам. Действие их основано на прямом пьезоэлектрическом эффекте - появлении ЭДС на гранях пластинки из сегнетоэлектриков (кварц, титанат бария) под действием приложенного усилия (Рис. 35).  Рис. 35. «Пьезоэлектрический датчик» Достоинство датчиков: Безынерционность, позволяющая применять их для контроля быстроизменяющихся усилий, давлений, вибраций. Недостаток: Стекание зарядов с граней кристалла, затрудняющее применение датчиков для контроля медленно протекающих процессов. Датчики давления (манометры) На практике наибольшее распространение получили два типа манометров. Жидкостные (гидравлические) В них контролируемое давление уравновешивается давлением столба жидкости. Простейшим жидкостным манометром является U-образный двухтрубный (рис. 36). Стеклянная трубка заполняется жидкостью и снабжается двумя шкалами. Такой манометр позволяет измерять как избыточное давление, так и разность давлений  и  , которые подводятся к трубкам. Рис. 36. «U-образный жидкостный манометр» При  , уровень жидкости в трубках одинаков. Если же  , появляется перепад уровней  , такой, что разность давлений  уравновешивается давлением столба жидкости ,где: – плотность жидкости;  [м/c2] – ускорение свободного падения.Таким образом, разность давлений преобразуется в разность уровней : .Достоинства датчика: Простота устройства, высокая точность. Недостаток: Ограниченный диапазон измеряемых давлений. Область применения: Визуальный контроль малых разностей давлений, разряжений, избыточных давлений, например, величины напора (депрессии) на главных вентиляторных установках шахт. Механические (пружинные) В них контролируемое давление вызывает деформацию упругого элемента, т.е. преобразуется в механическое перемещение. В качестве упругих элементов обычно используют (в порядке повышения чувствительности): а) манометрические трубки (одно - и многовитковые); б) плоские мембраны (стальные, резиновые); в) гофрированные мембраны; г) сильфоны – гофрированные коробки.  Рис. 37. «Упругие элементы механических манометров» Механическое перемещение упругого элемента может быть предано на стрелку отсчетного устройства для визуального контроля давления и/или электрический контакт, срабатывающий при определенном давлении (электроконтактное устройство – ЭКУ). Оно позволяет: а) включать элементы световой, звуковой сигнализации при достижении определенного давления; б) автоматически поддерживать давление в заданных пределах, например, путем прекращения подачи сжатого воздуха при достижении верхнего уровня и возобновления подачи при достижении нижнего уровня. Достоинства механических манометров: простота, устройства, широкий диапазон контролируемых давлений. Поэтому они получили широкое применение в технике. Датчики расхода (расходомеры) Электромагнитные Служат для контроля расхода электропроводных жидкостей. На трубопроводе выполняется немагнитная вставка, которая охватывается постоянным магнитом (N-S) При движении электропроводной жидкости в магнитном поле, создаваемом магнитом, носители электрических зарядов отклоняются, и между электродами 1, 2 возникает разность потенциалов, поступающая на измерительный прибор ИП.  Рис. 38. «Электромагнитный расходомер» Чем больше расход жидкости в единицу времени  , где: - сечение трубопровода, тем больше скорость ее движения , тем больше выходное напряжение :  .С переменным перепадом давления Принцип действия расходомера поясняется рисунком 39.  Рис. 39. «Расходомер с переменным перепадом давления» Благодаря сужающему устройству (дросселю), установленному в трубопроводе, скорость движения потока за ним  будет выше, чем на входе  . В результате появляется разность статистических напоров  , которая изменяется U-образным жидкостным манометром.Чем больше расход  , тем больше скорость , тем больше перепад давлений и перепад уровней . , .Таким образом, о величине расхода судят по показаниям манометра.Такие расходомеры устанавливают, например, на главных вентиляторных установках шахт для контроля производительности. С постоянным перепадом давления В трубопроводе устанавливают чувствительный элемент расходомера (флажок), который реагирует на скоростной напор потока (Рис. 40).   Рис. 40. «Расходомер с постоянным перепадом давления» Отклонение флажка передается на стрелку отсчетного устройства и/или электрический контакт в схеме автоматики (ЭКУ). Пример применения - реле производительности флажковое водяное РПФВ, устанавливаемое на главных водоотливных установках шахт для контроля производительности насосных агрегатов. Датчики уровня (уровнемеры) Из большого многообразия уровнемеров на практике наибольшее применение получили: поплавковые, электродные и гидростатические. Поплавковые  Рис. 41. «Поплавковый уровнемер» Перемещение поплавка при изменении уровня жидкости передается на стрелку отсчетного устройства и/или ЭКУ, а при необходимости может быть преобразовано в непрерывно изменяющийся электрический сигнал каким-либо из рассмотренных ранее датчиков перемещения (Рис. 41). Пример применения - контроль уровня воды в водогрейных котлах котельных установок. Электродные (кондуктометрические) Используются как для непрерывного (рис. 42), так и дискретного (рис. 43) контроля уровня электропроводных сред.  Рис. 42. «Аналоговый электродный уровнемер» В первом случае при изменении уровня жидкости  изменяется глубина погружения электродов в жидкость  , изменяется переходное электрическое сопротивление между электродами , и по закону Ома изменяется величина тока ,в цепи измерительного прибора ИП:  , .Во втором случае при касании электрода с поверхностью электропроводного материала замыкается электрическая цепь, и включается элемент сигнализации (сигнальная лампа  ), или подается команда на прекращение подачи материала в емкость, либо команда на включение насоса для откачки жидкости.Примеры применения: а) электродные датчики уровня (ЭД) в виде свинцового диска с зажимом для кабеля, применяемые для контроля уровней воды в водосборнике (нижний, верхний, повышенный, аварийный) при автоматизации шахтных водоотливных установок; б) реле контроля уровня (РКУ) для контроля заполнения бункеров.  Рис. 43. «Дискретный электродный уровнемер» Гидростатические Принцип действия поясняется рисунком 44. При достижении определенного уровня жидкости под действием гидростатического давления прогибается мембрана и замыкает электрический контакт в схеме автоматики, например, для включения насоса. По мере уменьшения уровня при откачке воды мембрана распрямляется, контакт размыкается, и подается команда на отключение насоса. Рис. 44. «Гидростатический уровнемер» Пример применения – реле уровня погружных РУП, применяемые при автоматизации проходческих водоотливных установок. Датчики температуры (термометры) Для контроля температуры чаще всего используют следующие физические явления: - тепловые расширения тел; - изменения электрических свойств материалов под действием температуры; - появление термо-ЭДС в зоне контакта различных электропроводных материалов. Термометры расширения |