Раздел 2. Измерительные преобразователи систем

Раздел 2. Измерительные преобразователи систем (датчики)

Тема 2.1 Классификация и характеристики датчиков

1. Определение и классификация датчиков

2. Виды электрических датчиков

3. Преобразующие устройства

1. Автоматизация производственных процессов может успешно осуществляться только при наличии современных технических средств, создание которых должно базироваться на новейших достижениях науки и техники. К этим средствам автоматики можно отнести датчики, преобразователи, усилители, задающие устройства, исполнительные органы и т. д.

Метрологические характеристики датчиков определяют приведенные ниже основные параметры.

Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины

у = f (х),                                                                             [2.1]

Рекомендуемые материалы

 где х - входная величина; у — выходная  величина.

Чувствительность датчика - отношение приращения выходной величины к приращению входной величины

S = А_у/А_х                                                                             [2.2]

Порог чувствительности датчика - наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе. Этот параметр связан с зоной нечувствительности, т. е. зоной, в пределах которой при наличии входного сигнала на выходе датчика сигнал отсутствует.

Инерционность датчика - время, в течение кото­рого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине.

Классификация датчиков:

По характеру получения сигнала от измеряемой величины датчики разделяют на параметрические, в которых изменение измеряемой величины вызывает изменение какого-либо параметра (например, изменение сопротивления, давления, индуктивности, и генераторные, у которых изменение измеряемой величины вызывает генерацию сигнала (появление термо-ЭДС, фототока).

По характеру зависимости выходного сигнала от входного различают датчики:

- пропорциональные (сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине);

- нелинейные (сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе);

- релейные, в которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно;

- циклические, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине или нелинейно зависит и повторяется циклически;

- импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов (импульсов), число которых пропорционально измеряемой величине.

По виду преобразования сигналов датчики могут быть:

· электроконтактные, где механическая сила преобразуется в электрический сигнал;

· индуктивные, у которых изменение магнитной проницаемости вызывает изменение индуктивности;

· фотоэлектрические, в которых световой сигнал преобразуется в электрический; тензометрические, в которых механическая сила вызывает изменение сопротивления;

· гидравлические, в которых механические силы преобразуются в гидравлический сигнал, и т. д.

По назначению в системах автоматического управления датчики можно разделить на датчики пути и положения, скорости, силовые, углового положения или угла рассогласования и т. д. Так как датчики можно рассматривать как составные элементы систем управления, удобнее их классифицировать по назначению.

2. Датчики пути и положения рабочих органов обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от пройденного пути или положения рабочих органов управляемого объекта.

Электроконтактные датчики представляют собой конечные, путевые выключатели, микропереключатели (Рисунок 14). У датчиков имеются штоки или рычаги 2, которые воздействуют через механизм передачи на контакты 1. Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавливают на неподвижных частях рабочих органов в определенном положении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплены кулачки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание.

Индуктивные датчики. Принцип их действия основан на изменении индуктивности катушки с подвижным якорем вследствие изменения магнитной проницаемости. Индуктивные датчики, как и электроконтактные, можно использовать как датчики пути или положения и как размерные (Рисунок 15). В датчике (Рисунок 15, а) якорь 1 перемещается.

Индуктивный дифференциальный датчик (Рисунок 15, б) состоит из двух катушек 2, 4 на которых расположены обмотки, подключаемые по дифференциальной схеме . В катушках расположен сердечник 3, соединенный с измерительным штоком 1, который контактирует с измеряемой поверхностью.

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы. На статоре и роторе вращающегося трансформатора размещены по две распределенные обмотки, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны (Рисунок 16). Ротор вращающегося трансформатора может поворачиваться на некоторый угол, произвольный по отношению к статору.

Принцип действия вращающегося трансформатора основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте ротора. В качестве датчиков угла используют синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых зависимость коэффициентов взаимоиндукции от угла поворота ротора носит характер синусоиды и косинусоиды, и линейные вращающиеся трансформаторы (Л ВТ), у которых указанная зависимость, линейная.

В зависимости от схемы включения выходным сигналом вращающегося трансформатора может быть амплитуда переменного напряжения или угол сдвига фаз между напряжениями. Соответственно этому режим работы вращающегося трансформатора называется амплитудным, или режимом фазовращателя.

Наибольшее распространение из вращающихся трансформаторов с электрической редукцией получили редуктосины и индуктосины.

Линейный индуктосин (Рисунок 17) состоит из набора измерительных шкал 1 и ползуна 2, монтируемых на рабочих органах. Измерительная шкала индуктосина укреплена на неподвижной части и представляет собой стальную линейку, на которой на соответствующую изолирующую подложку печатным способом нанесена зигзагообразная обмотка с шагом 2 мм. Ползун 2, укрепленный на подвижной части, является якорем и состоит из двух таких же, но более коротких обмоток, сдвинутых на 1/4 шага относительно друг друга. На выходе обмоток якоря индуцируется циклический сигнал. Число циклов определяется числом пройденных шагов. В промышленности применяют также круговые индуктосины.

Фотоэлектрические датчики (Рисунок 18) представляют собой обычное фотореле, установленное на рабочих органах в определенном положении. Движущийся рабочий орган (ДРО), переместившись в установленное положение, экраном прерывает поток света Ф, вызывая срабатывание фотореле (ФР). В промышленности применяют также размерные фотоэлектрические датчики. Размерный датчик (Рисунок 18, б) состоит из диска, который соединен с ДРО.

На диске нанесены штрихи или прорези с определенным шагом t. При движении рабочего органа штрихи на диске прерывают световой поток Ф, вызывая срабатывание фотореле.

Измеренное перемещение AL = nt, где п — число срабатывания фотореле; t — цена деления шага. Имеются датчики, у которых в качестве измерительных шкал применяют линейки с нанесенными штрихами.

Гидравлические датчики представляют собой обычный управляющий гидрораспределитель поршневого или кранового типа (Рисунок 19). Принцип их действия основан на том, что движущиеся рабочие органы, на которых размещены кулачки или упоры 1, достигнув положения, где установлен датчик, воздействуют на него, вызывая сбрасывание. Управляющий гидрораспределитель обеспечивает сигнал исполнительному органу (гидродвигателю).

Пневматические датчики аналогично гидравлическим выполнены в виде пневмораспределителей кранового типа (Рисунок 20), дросселей или клапанов. Широкое распространение получили размерные пневматические дифференциальные датчики мембранного и сильфонного типа с электроконтактным выходом.

Датчики углового положения создают управляющий сигнал в зависимости от углового положения или угла рассогласования между рабочими органами.

Потенциометрический датчик (Рисунок 21) состоит из каркаса 1 с обмоткой 2, по которой скользит движок 3. Для съема сигнала с перемещающегося движка служит добавочная щетка 4, скользящая по токосъемному кольцу 5. Выходное напряжение датчика угловых перемещений пропорционально углу поворота подвижной части первичного измерителя, соединенного с осью движка.

Сельсины. Сельсины представляют собой трансформаторы с воздушным зазором, у которых при вращении ротора происходит плавное изменение величины ЭДС, наведенной в обмотке ротора. Обычно сельсины работают в паре: сельсин, связанный с ведомым валом, называют сельсином-приемником, а сельсин, связанный с ведущим валом, - сельсином-датчиком (Рисунок 22).

Однофазная обмотка сельсина расположена на статоре, а трехфазная - на роторе. Трехфазная обмотка состоит из трех катушек, сдвинутых относительно друг друга на 120°. Они уложены в пазы ротора и соединены в звезду. Концы фазовых (1ф, 2ф, Зф) обмоток выведены на три контактных кольца, расположенных на валу ротора.

Датчики скорости создают управляющие сигналы в зависимости от скорости. Более широкое распространение в машиностроении получили описанные ниже датчики.

Тахогенераторы служат для измерения частоты вращения. В зависимости от рода тока различают тахогенераторы постоянного и переменного тока. Тахогенераторы постоянного тока разделяют по способу возбуждения на тахогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов (Рисунок 23, а) и с электромагнитным возбуждением. Представляют собой малогабаритную машину постоянного тока. По принципу действия тахогенераторы переменного тока делят на синхронные и асинхронные. Более широкое распространение получили асинхронные тахогенераторы (Рисунок 23, б). Тахогенератор имеет две обмотки: обмотку возбуждения ОВ и выходную обмотку.

Реле контроля скорости (РКС) (Рисунок 24) состоит из постоянного магнита 3, который находится на валу (сигнал на входе), а также кольца 4, в котором расположена обмотка типа «беличье колесо». На другом валу, соединенном с кольцом, расположен толкатель 1, воздействующий на группу контактов К1, К2, которые возвращаются в исходное положение под действием пружин 2 и 5. При вращении вала РКС вращающийся магнит наводит в обмотке, расположенной в кольце, ЭДС. Ток, протекая по обмотке, взаимодействует с магнитным потоком вращающегося магнита, в результате создается вращающий момент, который, поворачивая кольцо с толкателем, воздействует на контакты и вызывает их срабатывание.

Силовые датчики обеспечивают создание управляю­щих сигналов в зависимости от сил, создаваемых в рабочих органах.

Электромеханические датчики. Один из видов электромеханического силового датчика (Рисунок 25) представляет собой кулачковую муфту 2 со скошенными зубьями, замыкающуюся под действием пружины 5. Одна из полумуфт сидит на валу со скользящей шпонкой. Полумуфта через рычаг 4 воздействует на микропереключатель 1. При возникновении на валу заданных сил сдвинутая полумуфта, воздействуя через рычаг на микровыключатель, вызывает его срабатывание.

Токовое реле (Рисунок 26) состоит из токовой катушки 1, рычага 2 и контактов К1, К2. Токовая катушка включена в цепь электродвигателя, приводящего в движение рабочий орган, сила которого контролируется. При увеличении силы в рабочем органе увеличивается сила тока двигателя, который приводит в движение рабочий орган, это, в свою очередь, вызывает увеличение силы тока в токовой катушке реле, и электромагнитная сила F_эм токовой катушки становится больше, чем сила пружины 3 F_np (силу пружины устанавливают с помощью регулировочного винта). Произойдет опрокидывание рычага, который, воздействуя на контакты, вызовет их срабатывание.

Тензометрические датчики сопротивления предназначены для определения упругих деформаций деталей машин и конструкций в линейном и плосконапряженном состоянии при воздействии на них статических и динамических нагрузок.

На полосу тонкой прочной бумаги наклеена уложенная зигзагообразно тонкая проволока (Рисунок 27). К концам  проволоки с помощью пайки или сварки присоединены выводы из медной фольги, с помощью которых датчик подключен в измерительную
цепь. Тензодатчик приклеивают к испытуемой детали, благодаря чему деформацию детали воспринимает проволочная решетка. Длина детали, занимаемая проволокой, называется измерительной базой датчика L.

Пьезоэлектрические датчики для измерения сил представляют собой кварцевую пластину 1 (Рисунок 28). С двух сторон ее напылены или приклеены токопроводящим клеем электроды 2, с которых снимается выходное напряжение.

Два электрода и кварцевый диэлектрик образуют конденсатор, на электродах которого присутствуют электрические заряды, возникающие вследствие пьезоэлектрического эффекта при сжатии кварцевой пластины силой Р.

3. Преобразующие устройства служат для преобразования управляющих и информационных сигналов в устройствах автоматики к виду, удобному для их последующей обработки или фиксации. Преобразующие устройства должны иметь малую инерционность и хорошую согласованность с другими узлами автоматики, достаточно высокое быстродействие.

Реле времени (РВ) обеспечивает при подаче сигнала на вход х_вх(t) получение сигналов на выходе х_вых (t + T₁) ... х_вых (t + T_k), разнесенных по времени (сдвинутых на время Т₁ - T_k ).

Электронные реле времени. Схема простейшего электронного реле времени показана на рисунке 29. При замыкании управляющего контакта К1 (сигнал на входе) одновременно подается напряжение на базу транзистора VT1 и катушку реле К2. Так как в начальный момент конденсатор С1 не заряжен, то на базу транзистора подается положительный потенциал через делитель напряжения R1—R2. Транзистор закрыт и катушка реле отключена (сигнал на выходе). Когда конденсатор начнет заряжаться через цепь С1—R2—К1, отрицательный потенциал конденсатора будет подаваться на базу транзистора и транзистор откроется, вызвав срабатывание реле.

Реле времени двигателя (Рисунок 30) состоит из двигателя М, редуктора Р, барабана Б, на котором расположены кулачки а—е и контакты К1 - К6, установленные напротив кулачков. При подаче сигнала на вход (включение двигателя) барабан начинает вращаться; движущиеся кулачки на барабане воздействуют на контакты, вызывая их срабатывание (сигнал на выходе). Меняя угловое положение кулач­ков, можно устанавливать время и очередность сра­батывания контактов.

Реле счета импульсов (РСИ) выдает сигнал на выходе при поступлении заданного числа сигналов на входе х_вх- Необходимость преобразования сигнала часто возникает при создании команды после определенного числа повторяющихся действий (число ходов, операций и т. д.). Электроконтактное РСИ (Рисунок 31) состоит из ручного переключателя SA1, шагового искателя ШИ и реле К1, которое служит для выдачи команды на выходе. С помощью SA1 задается число повторяемых команд. При использовании первой команды замыкается контакт SQ1 (сигнал на входе), и включенная катушка шагового искателя через храповой механизм вызывает перемещение контакта шагового искателя из нулевого в первое положение и т. д. При выполнении заданного числа команд ручным переключателем контакт шагового искателя занимает позицию контакта ручного переключателя. Цепь катушки реле замкнется, реле сработает (сигнал на выходе).

Дешифраторы служат для преобразования кода числа, поступающего на его вход, в управляющий сигнал только на одном из его выходов. Схема простейшего дешифратора, формирующая какой-либо один из четырех управляющих сигналов () (четыре различных адреса), состоит из регистра адреса, построенного на триггере первого (T1), второго (Т2) разрядов, и логических элементов (DD0-DD7). А0—A3 - управляющие сигналы (адреса). Запись и выдача управляющих сигналов происходят по адресу, записанному в регистре.

Реле с герконом (Рисунок 33) представляет собой контактную систему, взаимодействующую с внешним магнитным полем. Геркон 1 (герметический контакт) или герконы размещаются внутри катушки 2 (обмотки) реле. Геркон представляет собой миниатюрную стеклянную трубку 3 (баллон) с впаянными внутри нее двумя контактными пружинами 4 из магнитомягкого ферромагнитного материала (пермаллоя). При подаче тока в обмотку реле возникает магнитный поток, намагничивающий контактные пружины геркона. Между ними возникает электромагнитная сила и контакты замыкаются.

Тема 2.2 Схемы включения датчиков

1. Мостовые измерительные схемы

2. Компенсационная и дифференциальная схемы

1. Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса: непосредственной оценки и сравнения.

При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется редко, так как ему свойственны значительные погрешности (особенно при изменении напряжения питания датчика).

Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения.

Мостовые измерительные схемы применяют постоянного и переменного тока. Существуют мостовые схемы уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты не требуют

Уравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, а), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R₁ R₂, R₃, R_t. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением R_E и измерительный прибор с сопротивлением R_np. В четырехугольнике также есть две диагонали, в одну из которых включен миллиамперметр, а в другую - источник тока. Для подстройки моста одно плечо (R₃) является переменным сопротивлением.

        

Закон уравновешенного моста: произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.

R₁/R₂=R₃/R_t.или R₁·R_t=R₂·R₃                                               [2.3]

Если необходимо вычислить неизвестное сопротивление датчика, то можно включить его в одно из плеч моста, вместо резистора R₄· и воспользоваться формулой:

R_t=R₂·R₃/R₁                                                                           [2.4]

Ток в диагонали моста, содержащей  измерительный прибор, через напряжение питания:

I_np=U(R₁R_t-R₂R₃)/M                                                            [2.5]

Основной характеристикой любой схемы является ее чувствительность. Она определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали ∆I_np к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста:

S_сх =∆I_np /∆R                                                                       [2.6]

∆I_np=U∆RR_t/M                                                                    [2.7]

где ∆I_np - результирующий ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, A; U - напряжение питания, В; М - входное напряжение, В.

Неуравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, б), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R₁ R₂, R₃, R₅, R_t. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением R_E и измерительный прибор с сопротивлением R_np. Для подстройки моста одно плечо (R₅) является переменным сопротивлением.

В качестве измерительного прибора в неуравновешенных мостах используются амперметры (так как токи невелики, то обычно мили- и микроамперметры). Неуравновешенный мост подчиняется тем же законам, что и уравновешенный.

2. Компенсационные схемы используют для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение. Сигнал датчика сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемым потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически.

Компенсационная схема с ручным уравновешиванием, представлена на рисунке 35, а. Измеряемая ЭДС Е_х или напряжение U_х уравновешиваются напряжением U_к ,снимаемым с резистора R_к , представляющего собой часть резистора R. Все сопротивление резистора R включено в цепь источника питания с ЭДС Е. Схема состоит из двух прямоугольников В нижней части находится датчик, имеющий сопротивление R_д. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. В состав схемы включен прибор, называемый нуль - индикатором (НИ), который служит для определения нулевого значения тока после компенсации.

Для поддержания стабильного тока питания I можно использовать регулировочный резистор R_рег и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения как в автоматическом потенциометре (Рисунок 35, б)

Ток через прибор:

I_пр =(U_х-U_к )/(R_д +R_к+R_пр ),                                                [2.8]

где R_д- сопротивление датчика,  R_к – сопротивление резистора, R_пр- сопротивление прибора, U_к – компенсирующее напряжение, U_х – измеряемое напряжение.

Чувствительность компенсационной схемы можно определить как отношение приращение тока через прибор к вызывающему  его изменению измеряемого напряжения:

S_сх =∆I_np /∆U_х                                                                        [2.9]

∆I_np=∆U_х/(R_аб+R_пр+R_д),                                                          [2.10]

R_аб – внутреннее сопротивление электрической цепи питания,

                                                               [2.11]

Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Дифференциальная схема - это гибрид мостовой и компенсационной схем. Состоит из двух смежных контуров с источником питания, а измерительный прибор включен в общую ветвь контуров и реагирует на разность  контурных токов. В дифференциальной схеме могут быть использованы параметрические (с изменяющимся сопротивлением) и генераторные (с изменяющейся ЭДС) датчики.

Дифференциальная схема включения параметрических датчиков показаны на рисунке 36, а (датчик включен в один контур). Дифференциальная схема включения генераторного датчика показана на рисунке 36, б. В этой схеме датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор.

Для расчета токов в дифференциальной схеме используют метод наложения: сначала определяют токи от одной ЭДС, а затем от другой.

Изменение тока через прибор будет рассчитываться:

Люди также интересуются этой лекцией: Заболевания желчного пузыря и билиарной системы.

,      [2.12]

где I_пр^/ - ток через прибор при включении параметрических датчиков в один контур

I^// - ток через прибор при включении параметрических датчиков в оба контура

Чувствительность дифференциальной схемы определяется аналогично предыдущим схемам эмпирически, путем подстановки опытных данных

Ток в измерительной цепи мостовых и дифференциальных схем зависит от напряжения питания. Колебания напряжения питания приводят к появлению погрешности, так как ток через прибор и отклонение его стрелки изменяются даже при неизменном сопротивлении датчика.