Лабораторная работа № 1 "исследование потенциометрических датчиков"

Цель работы: изучение принципа работы потенциометрических

датчиков и снятие их выходных характеристик.

1. Теоретические сведения

Для нормальной работы системы автоматического управления любым объектом необходима информация о текущем состоянии управляемого объекта. Эту информацию выдают специальные устройства, которые получили название датчиков или измерительных преобразователей.

Датчиком называется устройство, осуществляющее преобразование контролируемого параметра в выходной сигнал, удобный для ввода его систему управления. Для аппаратуры автоматизации и контроля режимов технологических процессов характерно широкое применение электрических измерений неэлектрических регулируемых величин (скорость, путь, давление, температура и т.д.), т.к. электрические сигналы удобно обрабатывать и передавать другим элементам.

Важнейшим показателем датчика является выходная характеристика зависимость выходной величины Y от входной (контролируемой) величины X (рис. 1), т.е. функция

Y = f(X).

Вид этой функции определяет свойства не только датчика, но и всей системы автоматики.

Рис. 1. Блок схема датчика

Другой основной характеристикой датчика является коэффициент передачи, который применительно к датчикам называется коэффициентом чувствительности.

Под статической чувствительностью S_CT понимают отношение выходной величины элемента к входной величине X:

(1)

Под динамической чувствительностью S_ДИН понимают отношение приращения выходной величины к приращению входной величины :

(2)

Важнейший параметр датчика его погрешность, которая представляет собой изменение выходной величины Y вследствие старения или износа материала, изменения температуры, влажности, давления, ускорения, вибрации и т.д.

Абсолютной погрешностью называется величина отклонения полученной выходной величины Y' от истинного (действительного) ее значения :

(3)

Относительной погрешностью  называется отношение абсолютной погрешности к действительному значению выходной величины . В процентах относительная погрешность выражается следующим образом:

(4)

Приведенной относительной погрешностью b называется отношение абсолютной погрешности к максимальному значению выходной величины Y_MAX, определяющему диапазон её изменения.

В процентах приведенная относительная погрешность

(5)

Приведенная относительная погрешность наиболее часто применяется для оценки точности датчиков и других элементов автоматики.

Датчики в любой системе автоматизации являются наиболее ответственными элементами. К ним предъявляются особые требования: высокая чувствительность, быстродействие, минимальное воздействие на входное воздействие, надежность, долговечность, простота конструкции, малые размеры и масса, удобство монтажа и обслуживания.

По энергетическому режиму работы датчики делятся на две основные группы: параметрические и генераторные. Для работы параметрических датчиков необходим дополнительный источник электроэнергии, а сами они преобразуют электрический сигнал в зависимости от контролируемой неэлектрической величины. Генераторные датчики не требуют дополнительного источника электроэнергии для создания выходного сигнала, а вырабатывают его за счет взаимодействия с контролируемым объектом. Принцип работы параметрических датчиков основан на изменении электрических величин в цепи самого датчика: активного сопротивления R, емкости С, индуктивности L.

В данной работе исследуются параметрические датчики активного сопротивления, включенные в электрическую цепь по схеме потенциометра. Измерение выходного сигнала осуществляется за счет изменения геометрических размеров проводника (изменения его длины), что приводит к изменению активного сопротивления датчика.

Потенциометрический датчик (ПД) обеспечивает преобразование линейных или угловых перемещений в электрический сигнал. Он представляет собой переменный резистор, состоящий из плоского или кольцевого каркаса, на который намотана тонкая проволока с высоким удельным сопротивлением, мало зависящим от температуры.

Для линейного потенциометра длиной l (рис. 2) выходное напряжение U_ВЫХ определяется выражением:

(6)

где: X - перемещение щетки ( );

K_X = U_П / l - коэффициент чувствительности;

U_П- напряжение источника электроэнергии.

Для кольцевого потенциометра (рис. 3) выходное напряжение определяется выражением:

(7)

где: _ град - угол поворота щетки (0< );

K_ = U_П / 360⁰ - коэффициент чувствительности.

Потенциометрические датчики используются при измерении давле­ния, уровня и других технологических параметров, которые предварительно преобразуются воспринимающим элементом в линейное или угловое перемещение.

Недостатком потенциометрических датчиков является наличие скользящего электрического контакта, снижающего надежность работы.

В системах автоматики выход ПД подключается к электрической цепи, которая обладает собственным входным сопротивлением.

На рис. 4 приведена схема замещения ПД и электрической цепи для этого случая. Схема замещения ПД представляет собой последовательно соединенные сопротивления R₁ и R₂, значения которых зависят от положения щетки.

При одном и том же положении щетки выходное напряжение ПД зависит от входного сопротивления R_ВХ электрической цепи:

(8)

В случае отсутствия электрической цепи (R_ВХ = ) имеет место работа ПД на холостом ходу. Работа ПД под нагрузкой (наличие электрической цепи) приводит к изменению его выходного напряжения.

Это изменение не должно превышать допустимой погрешности измерения контролируемой величины. Для этого необходимо, чтобы входное сопротивление электрической цепи было намного больше сопротивления ПД.

При исследовании переходных процессов в системах автоматического регулирования ПД может быть представлен в виде безинерционного (пропорционального) звена.

В этом случае датчик линейных перемещений (ПДЛ) описывается линейным алгебраическим уравнением (6), а датчик угловых перемещений (ПДУ) - уравнением (7).

Передаточная функция ПДЛ имеет вид:

где , - изображения выходной и входной величины ПДЛ.

Передаточная функция ПДУ имеет вид:

(10)

где - изображения выходной и входной величины ПДУ.