Генераторные датчики реактивного сопротивления

Трансформаторные (взаимоиндуктивные) датчики - принцип действия основан на изменении индуктивности катушек при перемещении якоря. Особен ностью трансформаторных индуктивных датчиков является то, что в них отсутствует электрическая связь между цепью питания (возбуждения) и измери- тельной цепью. Возможность изолировать цепь нагрузки от цепи питания позволяет получить любое напряжение на выходе нагрузки независимо от величины источника питания. Схема трансформаторного датчика с подвижным якорем, используемого для измерения малых перемещений, показана на рисунке – 32.

Рисунок 32

Обмотка возбуждения W₁ питается переменным напряжением Uкоторое создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. В обмоткеW₂,являющейся вторичной, индуцируется э.д.с. Е₂ величина которой находится в определенной зависимости от величины зазора .

Если ток I поддерживать постоянным, то Е₂=  W₂ Ф_= f(х)

где  - угловая частота; W - число витков вторичной обмотки;

Ф_ - магнитный поток.

Таким образом, индуцированная во вторичной обмотке э.д.с. Е₂ будет функционально зависеть от контролируемой величины “X”.

Схема трансформаторного датчика с короткозамкнутым витком – рисунок 33.

Рисунок 33

Трансформаторный датчик имеет короткозамкнутый виток 3, который под воздействием измеряемой величины “Х” может перемещаться в рабочем зазоре.

В зависимости от положения витка в рабочем зазоре с ним сцепляется большая или меньшая часть основного магнитного потока, создаваемого об- моткой W₁. Магнитный поток, сцепляющийся с короткозамкнутым витком, индуцирует в нем токи, которые создают активные потери, что эквивалентно введению в магнитную цепь дополнительного реактивного магнитного сопротивления Х _М. При перемещении короткозамкнутого витка происходит изменение общего магнитного сопротивления, пропорциональное перемещению “Х”.

Таким образом, если под действием контролируемой величины “Х” перемещается короткозамкнутый виток, то будет изменяться магнитный поток, сцепленный с обмотками W₁ и W₂, а следовательно, и э.д.с. во вторичной обмотке. Прибор, включенный во вторичную обмотку W₂ покажет изменение измеряемой величины Х .

Схема трансформаторного датчика угла поворота – рисунок 34.

Рисунок 34

Применяется для передачи на расстояние показаний различных приборов и для измерения больших угловых перемещений. Он состоит из неподвижного магнитопровода 1 с обмоткой W₂, поворотной рамки 2 с обмоткой W2 , обмотки перемещения W_СМ и сердечника 3. Рамка может поворачиваться в кольцевом зазоре магнитопровода вокруг сердечника3.

Катушка возбуждения W1 создает переменное магнитное поле, индукция которого равномерна в зоне полюсов.

Если подвижная рамка расположена горизонтально (положение _), то наведенная в ней э.д.с. равна нулю, так как магнитные линии не пересекают витков рамки. При крайних положениях рамки ( ₁ или ₂) индуцированная в ней э.д.с. Е₂ имеет максимальное значение.

Э.д.с. индуцируемая в рамке при повороте ее на некоторый угол 

где  - угловая частота;

В_ - амплитудное значение магнитной индукции в зазоре;

b - активная длина провода рамки, пересекаемого полем;

W₂ - число витков рамки;

R_P - средний радиус рамки.

При постоянных значениях частоты и напряжения источника питания U_Э.Д.С. Е₂= k, т.е. наведенная в рамке э.д.с. пропорциональна углу поворота . При переходе рамки через горизонтальное положение фаза э.д.с.Е₂ изменяется на 180.

Индукционный датчик – рисунок 35 состоит из катушки и магнитной системы и предназначен для измерения линейных или угловых перемещений.

Рисунок 35

Принцип действия индукционных датчиков генераторного типа основан на измерении э.д.с. , индуцируемой в катушке при изменении магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Обмотки W₁ датчика питаются постоянным напряжением U­. Под воздействием измеряемой величины “Х” обмотка W₂ начнет перемещаться и по закону электромагнитной индукции индуцированная в этой обмотке э.д.с. Е будет определяться скоростью изменения магнитного потока dФ / dt ,т. е.

Е = -W₂ dФ / dt

Так как скорость изменения магнитного потока определяется скорос- тью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то такой датчик имеет входную величину в виде скорости линейных или угловых перемещений, а выходную - в виде индуцированной э.д.с. Поэтому такие датчики называются индукционными . Магнитный поток Ф в них создается, как правило при помощи постоянных магнитов.

По принципу действия индукционные датчики делятся на две группы:

1. Датчики, у которых катушка перемещается относительно постоянного магнита, совершая линейное или угловое  перемещение.

2. Датчики, у которых якорь или кольца из ферромагнитного материала, перемещается относительно неподвижных катушки и магнита.

К первой группе относятся датчики, приведенные на рисунке – 36. Катушка 1 связана с подвижной частью устройства 2 (первичный измеритель) который перемещается относительно постоянных магнитов 3.

Рисунок 36

В этом случае индуцированная э.д.с. наводится в катушке 1 благодаря линейным перемещениям катушки в зазоре магнита. Э.д.с. катушки снимается при помощи коллектора и щеток.

В некоторых инструкциях катушка выполняется неподвижной, а перемещается постоянный магнит – рисунок 37.

В индукционных датчиках второй группы постоянный магнит и катушка 1 неподвижны, а якорь 2 является подвижным и механически связанными с испытываемым устройством.

Рисунок 37

В большинстве конструкций индукционных датчиков зависимость величины э.д.с. от скорости перемещения является линейной.

Погрешность индукционных датчиков вызывается нестабильностью параметров магнитных материалов во времени достигает значения 0,5-1,5%

Индукционные датчики обладают большой точностью и чувствительностью, что позволяет непосредственно использовать их для измерения скорости без применения усилительных элементов.

В устройствах автоматики индукционные датчики применяются в качестве сельсинов.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ.

Измерение температуры в технологических процессах имеет первостепенное значение.

Для измерения температуры используется явление изменения физических параметров тел при их нагревании (изменение объема тел, его линейных размеров или электрических параметров).

Приборы, основанные на этом принципе, подразделяются на:

- термометры расширения;

- манометрические термометры;

- электрические термометры сопротивления, основанные на свойствах материалов изменять свое электрическое сопротивление при нагревании;

- термоэлектрические термометры (термопары) - приборы, в которых используется принцип термоэлектрического эффекта;

- пирометры излучения.

Термометры расширения могут быть двух видов: жидкостно-стеклянные и механические. Принцип действия обоих термометров основан на изменении линейных размеров или объемов тел под воздействием температуры.

Жидкостно-стеклянные термометры - представляют собой устройство, в котором расширяющаяся под воздействием тепла жидкость поднимается по капиллярному столбику. По величине подъема жидкости судят о температуре среды, в которую погружен термометр.

На точность показаний стеклянно-жидкостных термометров влияет их установка. При установке необходимо создавать наилучший приток тепла к термобаллону от измеряемой среды и отвод тепла во внешнюю среду от остальной части термометра.

Недостатком стеклянных термометров является их хрупкость, невозможность дистанционной передачи и автоматической записи показаний.

Механические термометры подразделяются на два типа: биметаллические и дилатометрические. Принцип действия обоих видов механических термометров основан на относительном удлинении под влиянием температуры двух твердых тел, имеющих разные температурные коэффициенты линейного расширения. Зависимость длины твердого тела от его температуры выражается уравнением:

L = L0( 1+t )

где L0 - длина тела при температуре 0.

 - средний температурный коэффициент линейного расширения тела, град^-1 .

Дилатометрический термометр (рисунок 38) представляет собой закрытую с одного конца трубку 1, изготовленную из материала с высоким коэффициентом линейного расширения (медь, алюминий, латунь), в которую вставлен стержень 2, прижимаемый к ее дну рычагом 3, скреп ленным с пружиной 4. Стержень изготовлен из материала с меньшим коэффициентом расширения (кварц, сплав инвара).

Рисунок 38

При измерения трубку термометра полностью погружают в контролируемую среду. При изменении температуры соответственно изменяется длина трубки, а стержень практически сохраняет свои размеры. Это приводит к перемещению относительно трубки конца стержня, связанного посредством рычага 3 со стрелкой прибора.

Достоинством дилатометрических термометров является простота конструкции и надежность работы, а недостатком- большие размеры и инерционность.

Дилатометрические датчики температуры используются в качестве чувствительных элементов регулирующих устройств.

Биметаллический термометр представляет собой пружину, состоящую из двух спаянных по всей длине плоскости металлических пластин 1 и 2 , имеющих разные температурные коэффициенты линейного расширения – рисунок 39.

Пластина 1 изготовлена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, а пластина 2 - с незначительным.

Рисунок 39

Биметаллическая пружина при изменении температуры среды изгибается в сторону материала с меньшим температурным коэффициентом расширения. Степень изгиба пружины пропорциональна величине изменения температуры, которая указывается на шкале 6 прибора при помощи стрелки 5, соединенной рычагом 4 и тягой 3 с биметаллической пружиной.

Достоинства биметаллических термометров - простота конструкции и относительно небольшие размеры, а основной недостаток - малая точность, обусловленная изменением упругих свойств пружины из-за “усталости”.

Механические термометры не получили распространения как самостоятельные измерительные приборы, а используются в качестве чувствительных элементов в устройствах дискретного регулирования и сигнализации температуры.

Манометрические термометры - действие основано на изменении давления в заполненном рабочим веществом замкнутом объеме (системе) в зависимости от изменения температуры.

Манометрические термометры являются показывающими, сигнализирующими и самопишущими. Манометрический термометр представляет собой замкнутую систему, состоящую из термобаллона 1, капилляра 2 и одновитковой или многовитковой пружины 3 – рисунок 40. Термобаллон представляет собой стальную трубку, закрытую с одного конца, а с другого соединенную с капилляром. Капилляр изготавливается из бесшовной стальной или медной трубки, внутренним диаметром 0,1  0,5 мм.

Рисунок 40

Одновитковая пружина изготовляется из стальной или латунной трубки овального сечения, согнутой по окружности на угол 270. Подвижный конец трубки наглухо закрыт, а неподвижный соединен с капилляром.

При изменении температуры изменяется соответственно внутреннее давление в замкнутой системе и пружина стремится принять форму круга, в результате чего она частично выпрямляется, вызывая при этом перемещение стрелки прибора, соединенного с подвижным концом пружины передаточным механизмом 4.

Манометрические приборы с одновитковой пружиной (типа ТС-100, ЭКТ-1, ЭКТ-2) включают два предельных контакта 1 и 2, укрепленных на подвижных указателях, которые могут быть установлены в любых точках шкалы, показывающая стрелка прибора также имеет контакт 3 – рисунок 41.

Контакты предельных указателей и показывающей стрелки изолированы друг от друга. Один из указателей соответствует минимальному значению измеряемой температуры, другой - максимальному. Если измеряемая температура находится в заданном диапазоне, то контакты указателей разомкнуты. При достижении одного из предельных значений температуры, контакт показывающей стрелки замкнет контакт соответствующего предельного указателя, в результате чего замыкается электрическая цепь и загорается сигнальная лампочка, при замыкании контакта второго предельного указателя включается вторая сигнальная лампочка.

Рисунок 41

Пирометры излучения - служат для измерения теплового состояния тел, нагретых до высоких температур бесконтактным методом. Принцип их работы основан на улавливании лучистой энергии нагретого тела с помощью оптической системы. Разные тела по-разному излучают и поглощают тепловую энергию. Одни - большую часть попадающей на них тепловой энергии поглощают, а меньшую отражают, а другие - наоборот. Поэтому, для того чтобы можно было сравнивать по улавливаемому потоку тепловой энергии тела, пользуются понятием “абсолютно черного тела”.

Абсолютно черное тело - это тело, которое поглощает все падающие на него лучи и излучает максимум энергии при данной температуре. Различные тела и материалы характеризуются коэффициентом черноты полного или частичного излучения. Частичным (монохроматическим) излучением тела называется излучение на какой-нибудь одной волне спектра. Для измерений чаще всего пользуются красной полосой спектра.

Пирометры излучения делятся на пирометры полного излучения - радиационные и пирометры частичного излучения - оптические.

Пирометры полного излучения улавливают и измеряют излучение всех полос спектра. Рассмотрим схему действия радиационного пирометра – рисунок 42.

Рисунок 42

Тепловое излучение поверхности нагретого тела 1 воспринимается пирометром 2. Лучистая энергия концентрируется на термобатарее 3. Термобатарея состоит из десяти последовательно соединенных U- образных миниатюрных термопар с электродами из хромель - капель. Э.д.с. термобатареи передается к показывающему прибору 4, который проградуирован в С.

В пирометрах частичного излучения сравнивается яркость монохроматического излучения тела, температуру которого измеряют с яркостью образцового источника излучения.

Выпускают два типа пирометров частичного излучения : визуальные и фотоэлектрические.

В визуальных пирометрах яркость тела и образцового источника излучения сравнивается наблюдателем.

В фотоэлектрических пирометрах яркость сравнивается с помощью фотоэлементов или фотосопротивлений.

Д А Т Ч И К И Д А В Л Е Н И Я

В зависимости от пределов измеряемого давления и назначения приборы для измерения давления разделяются на три основные группы:

- манометры, вакуумметры, мановакуумметры - предназначены для измерения избыточного давления или разряжения (вакуума);

- тяго- и напоромеры - для измерения небольших избыточных давлений и разряжений;

- дифференциальные манометры - для измерения разности давлений.

По принципу действия манометры разделяются на три группы:

- жидкостные , в которых измеряемое давление определяется высотой столба жидкости, уравновешивающей это давление;

- пружинные, в которых измеряемое давление определяется степенью деформации упругих элементов - пружин, мембран, сильфонов;

- электрические, в которых измеряемое давление преобразуется в сопротивление.

В жидкостных манометрах измеряемое давление (или разряжение) уравновешивается столбом рабочей жидкости определенной высоты.

Наиболее распространен U-образный манометр – рисунок 43.

Рисунок 43

Он представляет собой согнутую в виде U стеклянную трубку 1, заполненную до нулевой отметки рабочей жидкостью. Манометр снабжен миллиметровой шкалой 2. Конец трубки 3 соединен с атмосферой, конец 4 - с измеряемой средой.

Величина измеряемого давления “Р” определяется зависимостью:

Р = h 

где h - разность уровней жидкости, м;  - удельный вес рабочей жидкости, н/ м³.

Разновидностью U - образных манометров являются чашечные и кольцевые.

Достоинства - простота устройства, высокая точность (ошибка 0,5-1 мм).

Недостатки - невозможность использования устройств в схемах САР.

Тарируют манометры при температуре 20 С, поэтому при других температурах необходимо вносить поправки на изменение удельного веса жидкости и относительное удлинение шкалы, которые определяются по формуле:

где h₀ - высота столба жидкости при тарировочной температуре;

h_t - высота столба жидкости при температуре измерения;

 - температурный коэффициент линейного расширения материала

шкалы;

 - температурный коэффициент объемного расширения рабочей

жидкости.

Пружинные манометры действие основано на уравновешивании измеряемого давления усилиями деформации чувствительных упругих элементов (пружин). Величина деформации упругого элемента преобразуется с помощью передаточного механизма в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

В зависимости от типа чувствительного элемента пружинные приборы разделяются на три группы: с одновитковой трубчатой пружиной с многовитковой (винтовой) трубчатой пружиной, с мембранным чувствительным элементом.

Манометрическая одновитковая трубчатая пружина (рисунок 44) - представляет собой полую трубку 1, изогнутую по окружности на 270, имеющую в сечении форму эллипса. Один конец ее запаян и связан передаточным механизмом (зубчатым или рычажным) с указывающей стрелкой. К другому концу пружины (неподвижному) подводится измеряемое давление. Увеличение внутреннего давления в трубчатой пружине приводит к изменению эллиптической формы ее сечения на круглую, в результате чего малая ось эллипса увеличивается, а большая уменьшается.

Рисунок 44

Внешние слои трубки растягиваются, а внутренние сжимаются, вследствие чего радиус кривизны трубки растягивается, а центральный угол уменьшается.

Кроме манометра с указывающей стрелкой, выпускаются такие манометры с контрольной стрелкой и электрическими контактными устройства ми.

Манометры с многовитковой (винтовой) пружиной обладают повышенной чувствительностью и большим тяговым усилием.

Геликоидальные пружины (рисунок 45) применяются в манометрах самописцах. Измеряемое давление подводится через капиллярную трубку и воздействует на многовитковую пружину, которая, перемещаясь, приводит в движение записывающее перо, которое крепится через передачу к запаянному концу пружины.

Рисунок 45

Манометры мембранные. Чувствительным элементом данных приборов является упругая пластина - мембрана. Рассмотрим схему мембранного манометра, представляющего собой прибор, предназначенный для измерения разности давления и преобразования измеряемой величины в пропорциональный электрический сигнал, для передачи его на расстояние.

Рисунок 46

Мембрана 1 манометра зажата между крышками 2 и 3 корпуса, образуя две полости манометра.

Измеряемое давление Р1 и Р2 подводится по трубкам 4 и 5. Разность давлений, воспринимаемая мембраной, вызывает ее прогиб, в связи, с чем жестко связанный с ней сердечник 6 перемещается в катушке трансформа­торного датчика, занимая положение, при котором усилие от разности дав­лений уравновешивается силой пружины.

Сильфонные манометры - чувствительным элементом служит гармоникообразная мембрана – рисунок 47. Измеряемое давление подается внутрь сильфона через неподвижный конец. Другой конец (закрытый) перемещается и служит для измерения давления. Используется в качестве чувствительных элементов в приборах, для измерения давления в холодильных установках.

Приборы давления электрические - пьезоэлектрические, тензодатчики, в которых используется пьезоэлектрический эффект или эффект изменения активного сопротивления проводников.

Рисунок 47