Технические измерения и приборы. Вопрос Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи

• Название: Вопрос Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи
• Дата: 08.02.2022
• Размер: 4.5 Mb.
• Имя файла: Технические измерения и приборы.doc
• Тип: Документы; #354979
• страница: 1 из 13

Вопрос № 1.1.

Преобразователи механических величин и системы дистанционной передачи.

К механическим параметрам (величинам) относят:

1. 
   линейные и угловые перемещения;
   
2. 
   механические усилия, деформации, напряжения, моменты и т.д.
   

Реостатные преобразователи.

Предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в омическое сопротивление.

Достоинства: высокая точность – до 0,05% и высокая мощность.

Реостатный преобразователь – каркас, на который намотана проволока из манганина или константана (из металла с низким температурным коэффициентом сопротивления).

При высоких температурах используется нихром или сплав палладия с вольфрамом.

Отличия от обычного реостата:

• 
  очень тщательная линейная намотка с равномерным шагом;
  
• 
  материал намотки должен обладать низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС);
  
• 
  температурные коэффициенты линейного расширения каркаса и проводника должны быть одинаковы.
  

х – перемещение, l – длина реостатного датчика,

r_o- шаг намотки, сопротивление на единицу длины.



Статическая характеристика ступенчатая:


аддитивная погрешность

дискретности


берут 1/3 полного хода.

Для a характеристика линейная.


Для получения линейной статической характеристики реостатные преобразователи включают в цепи следящего астатического уравновешивания.




R_П – реостат приемник

R_Д – датчик

На РД будет ноль, когда движки на

сопротивлениях будут находиться в

одинаковом положении.

Тензометрические преобразователи.

Предназначены для измерения упругих деформаций и механических напряжений в узлах и деталях машин при статических и динамических нагрузках.

Принцип действия основан на использовании тензоэффекта, т.е. на изменении сопротивления проводника при его деформации.

- сопротивление прямого проводника. При деформации изменяются все параметры.

где ρ– удельное сопротивление; l– длина; S – площадь поперечного сечения.

(1) – для круглого проводника. Установлено экспериментально.

Возьмем полный дифференциал выражения (1):



Разделим левую и правую части этого равенства на (1) и перейдем к конечным приращениям:



Обозначим - коэффициент Пуассона ( )

; - коэффициент структурного изменения материала

Тогда

Обозначим = γ - коэффициент тензочувствительности материала.

Материал тензодатчика должен обладать высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом сопротивления.

Для изготовления используется константан (до 300ºС), сплавы никеля и молибдена (до 500ºС),

нихром (до 700ºС), сплавы на основе платины (до 1000ºС).

Тензодатчики бывают двух типов: проволочные и фольговые.

Проволочный тензодатчик:



база = 1,5 ÷ 100 мм

Ø проволоки = 0,01 ÷ 0,05 мм

Недостаток – наличие поперечной тензочувствительности

(0,2 ÷ 0,1% от продольной тензочувствительности).
Фольговые тензодатчики изготавливаются травлением или электростатическим напылением.

Достоинство – отсутствие поперечной тензочувствительности, хороший тепловой контакт с

деформируемой деталью.

Размеры: толщина = 5 ÷15 мкм; база 0,1 ÷ 0,5 мм
Тензодатчики включают в качестве плеч неравновесных мостов.

Чтобы исключить температурную погрешность измерения включают два тензодатчика.
Т₁ наклеивают на деформируемую деталь, а Т₂ – на

недеформируемую, но имеющую ту же температуру.

Выходной сигнал моста подают на усилитель, т.к. U_пит не

может быть большим.

У – усиливает выходной сигнал.

Усилитель многоканальный (до 24 каналов)

(для одновременного контроля нескольких деталей).

Индуктивные преобразователи.

Предназначены для преобразования линейных и угловых

перемещений в индуктивное сопротивление.

В простейшем случае индуктивный преобразователь

состоит из магнитопровода и подвижного элемента,

который связан с перемещаемым узлом.

Может работать и в режиме переменной толщины зазора

и в режиме переменной площади зазора.

; ; ;

- индуктивность; - толщина зазора; - площадь воздушного зазора; - магнитная проницаемость в зазоре; W - число витков; и - магнитные сопротивления стали и воздуха;

Т.к. , то пренебрегают.

Тогда магнитное сопротивление ; ;




Характеристика линейна по отношению к и обратно

пропорциональна .

x – перемещение (либо , либо )

Z = f ( ) - более чувствительна

Z = f ( ) - менее чувствительна

Поэтому на производстве в основном используют датчики в

режиме переменной толщины воздушного зазора.
Недостаток – обратное воздействие на чувствительный элемент со стороны якоря (он притягивается).

Для устранения этого недостатка используют дифференциальные индуктивные преобразователи.

У них чувствительность в 2 раза больше.

В

режиме переменной толщины. В режиме переменной площади.

Роторный индуктивный преобразователь (индуктивный круговой дискретный).

Предназначен для преобразования угловых перемещений в переменный сигнал индуктивности.




Магнитная цепь состоит из двух концентричных зубчатых сердечников, сдвинутых между собой на 1/2 шага зубьев. При повороте ротора изменяется взаимное расположение зубьев, а следовательно и полное сопротивление катушек индуктивности. Это сопротивление изменяется периодически, с периодом Т = , где - число зубьев.

Получаем импульсы: когда зубья совпадают – индуктивность максимальна;

когда зуб попадает на впадину – индуктивность минимальна.

Высокая точность такого преобразователя обеспечивается тем, что точность изготовления отдельных зубьев не влияет на точность работы, т.к. используются только суммарные величины. Сдвиг зубьев на 1/2 шага позволяет определить направление угла поворота ротора. Аналогичный преобразователь может быть выполнен в виде линейки.




Чаще ползуны закреплены, а линейка движется;

редко, наоборот.

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы.

Предназначены для преобразования угловых перемещений в напряжение переменного тока. Эти преобразователи имеют электромашинное исполнение, с обмотками на статоре и роторе. Выходной сигнал зависит от взаимного расположения обмоток.




(справедливо только для режима х.х.)

U₂ – выходной сигнал, U₁ – напряжение источника, W – число витков обмотки, - угол взаимного расположения.

Недостаток: при нагрузке вторичной обмотки, ее магнитный поток оказывает обратное размагничивающее действие на первичную обмотку. Для устранения этого явления на статоре и роторе размещают по две обмотки, сдвинутые между собой на 90º.







статор ротор
Балластное сопротивление R_б и сопротивления нагрузки Z₁ и Z₂ подбирают так, чтобы во вторичных обмотках сила тока не менялась при повороте ротора.
Рассмотренные преобразователи относят к преобразователям накапливающего типа

(преобразователи отрезков шкал)

Вопрос № 1.2. Оптический преобразователь, работающий с датчиками накапливающего типа.

Имеется диск с двумя дорожками, на которых есть светлые и темные участки.

Ф₁ и Ф₂ –фотоприемники;

Д₁ и Д₂ – дифференцирующие

элементы (одновибраторы);

У₁ и У₂ – усилители;

К₁ и К₂ – ключи;

Т – триггер;

Счетчик при движении вправо накапливает; влево – сбрасывает.

Вправо – по шине А; Влево – по шине B.

Абсолютные (кодирующие) преобразователи перемещений – более совершенные.

В этих преобразователях каждому значению угла поворота соответствует своя кодовая комбинация. Маска двоичного кода не применяется из-за больших ошибок при считывании. Вместо них используются маски циклических кодов, в которых ошибка при считывании может быть только в самом младшем разряде. Наибольшее распространение получил код Грея.

Чтобы найти циклический код десятичного числа, необходимо найти его двоичный эквивалент, а затем перевести его в циклический по правилу:

Если в старшем разряде двоичного кода стоит ноль, то в данном разряде циклического кода цифра не меняется, а если единица, то в данном разряде циклического кода цифра меняется на обратную.

Дес.	Дв. Код	Код Грея
0	0000	0
1	0001	0001
2	0010	0011
3	0011	0010
4	0100	0110
5	0101	0111

маска двоичного кода маска циклического кода


Обратный переход от кода Грея к двоичному осуществляется по правилам:

1. 
   Все цифры в старших разрядах до первой 1 - в двоичном коде такие же, как и в коде Грея.
   
2. 
   В остальных разрядах цифры совпадают, если перед данным разрядом (со стороны старших) было четное число единиц.
   
3. 
   Если число единиц в коде Грея было нечетным, то данная цифра в двоичном коде заменяется на обратную.
   

Пример:

1100101 - код Грея

1000110 - двоичный код
С
хема преобразователя:

диск
Д – диафрагма; Ф – фотоприемник; П – преобразователь; ДШ – дешифратор; ЦОУ – цифровое

отсчетное устройство. На вращающемся диске нанесен код Грея.
Рассмотрим работу преобразователя П:




2 – для получения инверсного сигнала;

Г – импульсный генератор;

БЗ – блок задержки;

На триггер Т со счетным входом подаются импульсы

кода Грея, начиная со старшего разряда. С выхода 1

триггера импульсы подаются на первый вход

логического элемента И. На второй вход И через БЗ

синхронно с импульсами кода Грея подаются

импульсы от тактового генератора Г. БЗ задерживает

импульсы Г, чтобы триггер успел переброситься из одного устойчивого состояния в другое.

Пример:

1100 = 8 в коде Грея

1000 = 8 в двоичном коде.

Вопрос № 1.3.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи перемещений.

Предназначены для преобразования линейных перемещений в диапазоне от –5 до +5мм в нормализованный выходной сигнал в виде взаимоиндуктивности от –10 до +10мГн.

Н а двух катушках (I и II) намотаны обмотки возбуждения W₁ и W₂ и вторичные обмотки W₃ и W₄. W₁ и W₂ соединены последовательно(синфазно). W₃ и W₄ – встречно(противофазно). Магнитный поток, возникающий при протекании тока по первичной обмотке, создает взаимоиндуктивность М в обмотках W₃ и W₄. А т.к. они включены встречно, то общая взаимоиндуктивность: ;

Величина взаимоиндуктивности зависит от расстояния между катушками I и II и положения плунжера внутри катушек, который связан с чувствительными элементами датчика, который преобразует перемещения. Плунжер выполнен из магнитомягкого железа.

.

Если плунжер находится в среднем положении, то результирующая взаимоиндукция будет рана нулю. Если его поднять, то М₃ увеличится, а М₄ уменьшится, и наоборот при опускании. Возникает разностный сигнал:
Линейная статическая характеристика. Угол ее наклона (чувствительность) можно изменять, меняя расстояние между катушками.
Класс точности 0,5.

Ф ерродинамические преобразователи.

Предназначены для преобразования угловых перемещений в нормализованный сигнал в виде взаимноиндуктивности от –10 до +10мГн.
1 – магнитопровод

2 – сердечник.

3 – рамка

4 – вывод с рамки

5 – неподвижный плунжер

6 – зазор

7 – подвижный плунжер (с помощью него меняют

чувствительность)

N – магнитная нейтраль

Wв – обмотка возбуждения;

Wс – обмотка смещения; Wр – рамка.
В зазоре между полюсным наконечником может поворачиваться рамка, которая связана с чувствительным элементом. В одной части намотана обмотка возбуждения W_В, а также обмотка смещения W_C.

Магнитный поток, возникающий при протекании тока по обмотке W_В создает взаимоиндуктивность в обмотке W_Р. Взаимоиндуктивность в рамке будет зависеть от угла поворота относительно магнитной нейтрали N.

; где Мн – номинальная взаимоиндуктивность (при мах α)

Обмотка смещения (Wс) может включаться последовательно с обмоткой рамки (W_Р) синфазно или противофазно.

- в обмотке смещения , где k – коэффициент трансформации.

Общая взаимоиндуктивность:



Рамка связана с чувствительным элементом. Будем поворачивать рамку и получим ЭДС на выходе:


Статическая характеристика k = 1 – Wс в фазе

k = 0 – Wс не подключена

k = -1 – Wс в противофазе
Класс точности 0,5.

Преобразователи типов ПФ и ПД включают в цепи следящего астатического уравновешивания.
П ри перемещении плунжера возникает сигнал Е1 и если он не равен Е2, на вход усилителя поступает сигнал ∆Е = Е1 – Е2

и РД перемещает рамку до того момента, пока ∆Е не станет = 0.

Одновременно перемещается стрелка.

Электросиловой нормирующий преобразователь.

Предназначен для преобразования усилия в нормализованный сигнал постоянного тока. Сигнал может передаваться на большие расстояния. Преобразователь работает по схеме следящего астатического уравновешивания.




Дистанционность до 10км. КН – корректор нуля.

Нагрузка до 2,5КОм. ПН –преобразователь неравновесия.

Класс точности 0,5. ОП – обратный преобразователь.

Пневмосиловой нормирующий преобразователь.

Преобразователь перемещений и механического усилия в нормализованный пневматический сигнал 20 – 100КПа.

О сновным элементом является устройство типа «сопло-заслонка».

Воздух переходит через отверстие между соплом и заслонкой при подаче в сопло Рпит. Сопло и заслонка образуют переменный дроссель. Рпит – давление питания (140 кПа от редуктора). Давление междроссельной камере определяется расстоянием между соплом и заслонкой. Постоянный дроссель создаёт делитель давления, иначе в междроссельной камере было бы Рпит.

Рx – давление на пневмоусилитель.

Уравнение расхода:



ρ– плотности воздуха до и после постоянного дросселя; α – коэффициенты расхода;

S – площади отверстий постоянного и переменного дросселя;

х – расстояние между заслонкой и соплом.

Будем считать, что в первом приближении , тогда: ;




Преобразователь работает по принципу следящего статического уравновешивания.

Нужно создать местное сопротивление, чтобы получилось Р_Х (делитель давления)



Под действием усилия F заслонка приближается к соплу. При этом возрастает давление в междроссельной камере. Это давление подается на вход пневмоусилителя, а Рвых усиливается и подается в сильфон обратной связи и поднимает заслонку. Но не до начального положения. Существует остаточное неравновесие, из которого формируется выходной сигнал. Из сильфона ОС выходит выходной сигнал. Чтобы увеличить преобразуемое усилие в 2 раза (поменять чувствительность) надо передвинуть ромбик вправо.

Нечувствителен к перемещениям, воспринимает только усилия.

Сигнал передается на расстояние до 300м.

Работает по принципу компенсации усилий.