319

31

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПОТЕНЦИОМЕТРА

Цель работы: изучение автоматического потенциометра и исследование его динамических характеристик.

1. Компенсационный метод измерения ЭДС

Для измерения температуры широко применяются термоэлектрические преобразователи – термопары. Увеличение температуры рабочего спая термопары, как известно, приводит к увеличению термоЭДС, величина которой пропорциональна температуре. Величину термоЭДС можно измерить прямым методом с помощью милливольтметра, однако погрешность измерений в этом случае может быть существенна за счет изменения сопротивления соединительных проводов, погрешности самого милливольтметра, изменения состояния элементов его конструкции и т.п. В связи с этим чаще применяется компенсационный метод измерения термоЭДС, при котором показания прибора не зависят от вышеперечисленных факторов. Принцип метода заключается в уравновешивании неизвестной измеряемой ЭДС – известной ЭДС вспомогательного источника. Для измерения компенсационным методом используют приборы, которые называются потенциометрами. В потенциометрах применяется, как правило, измерительная компенсационно-мостовая схема. Наличие мостовой схемы позволяет дополнительно компенсировать возможную погрешность от изменения температуры холодного спая термопары.

Схема (рис.4.1) состоит из сопротивлений R2 … R5 и калиброванного реохорда R1. В диагональ моста ab включен источник постоянного напряжения GB с напряжением U последовательно с регулируемым сопротивлением R6. В другую диагональ моста сd включается источник неизвестной ЭДС – термопара B и, в случае ручной компенсации, чувствительный гальванометр – нуль-индикатор Ip.

При измерении температуры изменение термоЭДС компенсируется изменением соотношения сопротивлений плеч моста путем перемещения движка реохорда R1 до тех пор, пока снова не будет выполняться условие Ip = 0. Если перемещение движка реохорда будет осуществляться вдоль шкалы, то каждое его положение относительно шкалы будет соответствовать определенной величине термоЭДС и, следовательно, определенной температуре.

Ip d

Рис.4.1. Схема измерения термоЭДС методом компенсации

При неавтоматической компенсации перемещение движка реохорда осуществляется вручную. В автоматических потенциометрах вместо нульиндикатора включают электронный усилитель, в котором ток после преобразования (модуляции) усиливается и подается на обмотку двигателя, перемещающего движок реохорда до комплектации термоЭДС, т.е. до тех пор, пока ток на входе усилителя не станет равным нулю.

2. Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд включает в себя электронный автоматический потенциометр, автотрансформатор, промежуточное реле, нагревательный элемент, термопару, источник постоянного напряжения, регистрирующие приборы и коммутирующие элементы. Схема электронного автоматического потенциометра для измерения термоЭДС термопары представлена на рис.4.2. Термопара подключается в диагональ моста измерительной схемы последовательно с вибропреобразователем U , в результате чего при появлении напряжения небаланса U = EB – UGB1 оно преобразуется в переменное напряжение и через трансформатор Т подается на вход усилителя А.

Вибропреобразователь состоит из П-oбразного постоянного магнита, в середине которого находится упругая стальная пластина с одним неподвижно закрепленным концом, а другим – свободным. На свободном конце закреплен контакт К. Пластина является сердечником катушки L , по которой протекает переменный ток частотой 50 Гц. Взаимодействие магнитного поля постоянного магнита и переменного магнитного поля, создаваемого катушкой, вызывает вибрацию пластины с частотой 50 Гц. При этом контакт К поочередно замыкается с двумя неподвижными контактами. В результате этого напряжение ΔU подается поочередно на одну или другую половину первичной обмотки трансформатора Т и

33

вызывает импульсы тока различного направления, которые создают переменный магнитный поток, индуктирующий во вторичной обмотке электродвижущую силу с частотой 50 Гц. При изменении полярности напряжения небаланса напряжение на вторичной обмотке изменяется по фазе на 1800. Таким образом, преобразованное (модулированное) напряжение подается на вход лампового электронного усилителя А. Необходимость в модуляции объясняется тем, что усилители переменного тока не имеют так называемого «дрейфа нуля» и, таким образом, не вносят погрешностей в измеряемую величину.

Электронный усилитель автоматического потенциометра имеет предварительный усилитель (усиление сигнала по напряжению при Iвх = const) и выходной каскад (усиление сигнала по мощности с помощью фазочувствительного усилителя). Усиленный сигнал далее подается на обмотку управления двухфазного двигателя М, который через зубчатую передачу и гибкие связи с помощью нити перемещает движок реохорда R1, компенсируя термоЭДС, а также перемещает стрелку шкалы, проградуированной в градусах Цельсия для данной термопары, и вращает полумуфту механизма схемы корректировки.

Схема корректировки необходима в связи с тем, что ЭДС элемента GB1 со временем уменьшается (элемент расходует энергию во время компенсации), что сказывается на точности измерения. Для корректировки периодически на короткий промежуток времени необходимо нажать кнопку S (см. рис.4.2). При этом контакт SB отключит термопару от преобразователя и соответственно усилителя, а подключит к ним эталонный нормальный элемент GB2 и сопротивление R7. Таким образом, GB1 и GB2 окажутся подключенными встречно к сопротивлению R4, образуя новую схему компенсации. Одновременно полумуфта механизма корректировки, связанная с двигателем М, войдет в зацепление с полумуфтой, связанной в движком переменного сопротивления R6. Если величина ЭДС GB1 отличатся от номинальной, то в этом случае разность падения напряжений на R4 от обоих источников будет подаваться на преобразователь и усилитель, а затем, усиленная, на двигатель М, который будет перемещать движок R6 до компенсации этой разности, т.е. до тех пор, пока на входе усилителя ток не станет близким к нулю. При значительном истощении элемента GB1, когда возможности корректирующей схемы исчерпаны, необходимо заменить батарею GB1. Существуют приборы, где применяются стабилизированные источники питания. В этих приборах необходимость в корректирующей схеме отпадает.

Для увеличения точности прибора сопротивление R3 мостовой схемы выполнено из меди и расположено вблизи холодного спая термопары. Таким образом, оно имеет одинаковую с холодным спаем температуру.

34

Изменение температуры холодного спая термопары компенсируется температурным изменением сопротивления и обеспечивает постоянство градуированного значения термопары.

Кроме показаний температуры, приборы типа ЭДР могут осуществлять запись температуры в полярных координатах. Для этих целей имеется перо, которое перемещается по круговой диаграмме в соответствии с изменением температуры. Вращение диаграммы обеспечивается дополнительным двигателем.

Потенциометр может использоваться и для регулирования температуры. Для этих целей имеется встроенный релейный регулятор, устройство которого показано на схеме потенциометра (см. рис. 4.2).

На валу, вращаюшемся при работе двигателя, укреплен кулачок, профиль которого обеспечивает включение контакта SQ во времени. С помощью контакта можно управлять включением нагревателя и, следовательно, температурой объекта. Таких кулачков и контактов может быть несколько, что позволяет управлять какой-либо промежуточной схемой управления и обеспечивать различные законы нагрева. В простейшем случае, когда кулачок имеет впадину и управляет размыкающимся контактом, с помощью потенциометра может поддерживаться постоянство температуры, величина которой зависит от начального положения кулачка (рис.4.3). Начальное положение кулачка регулируется ручкой “Установка регулятора” на передней панели прибора.

Зона нечувствительности

T2m

T2ср

T1ср

T0

tз

t

0

для T2ср

для T1ср

Рис.4.3. Работа регулятора после включения потенциометра, tз – время запаздывания

35

3.Вопросы для допуска к работе

1.Как измеряют ЭДС компенсационным методом?

2.Почему в автоматических потенциометрах применяют мостовые схемы?

3.Достоинства компенсационного метода измерения.

4.Задание на выполнение работы

1.Изучить конструкцию и работу схемы автоматического электронного потенциометра.

2.Снять показания и построить график изменения температуры во времени T=f(t) при заданном положении регулятора. При этом определить: время запаздывания; среднюю температуру; зону нечувствительности регулятора по температуре.

3.Определить постоянную времени прибора как время, которое необходимо для достижения температуры Т = 0,63 Tm .

5.Порядок выполнения работы

1.Установить выключатель S3 в положение «В», S2 – в положение "0".

2.Включить выключатель S1 (сеть), при этом должна загореться сигнальная лампочка стенда Н и лампа на лицевой панели прибора. Подождать 1–2 мин, прогревая лампы электронного усилителя потенциометра.

3.Установить автотрансформатором Т заданное напряжение (задаётся преподавателем), контролируя его по вольтметру U1.

4.Включить выключатель S2 и определить время запаздывания (время от начала изменения входной величины, т.е. тока через нагревательный элемент, до начала изменения выходной величины – температуры).

5.Снять зависимость Т=f(t) (рис.4.3) в процессе регулирования, для чего записывать показания прибора через каждые 10 с в течение 5 мин.

6.Найти 63 % от Тm и согласно п.3 найти постоянную времени потенциометра.

7.По данным п. 5 построить зависимость T=f(t), указать время запаздывания, зону нечувствительности, Tср .

8.Результаты измерений занести в табл. 4.1.

37

6. Содержание отчета

1.Название работы, ее цель.

2.Электрическая схема измерения ЭДС методом компенсации.

3.Таблица замеров T=f(t).

4.График T=f(t) с указанием времени запаздывания, зоны нечувствительности, Tср.

5.Расчет постоянной времени прибора.

7.Контрольные вопросы

1.Как производится измерение компенсационным методом в данном потенциометре?

2.Как в приборе компенсируется истощение рабочего элемента GВ1?

3.Как работает регулятор потенциометра?

4.От чего зависит величина зоны нечувствительности?

5.Oт чего зависит продолжительность запаздывания?

6.Почему в потенциометре применен электропривод переменного тока?

7.От чего зависит постоянная времени потенциометра?

39

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА

Цель работы: изучение принципа действия электрической следящей системы и экспериментальное определение статической ошибки.

1. Общие положения

Следящие системы – это устройства автоматического управления, предназначенные для воспроизведения величины, изменяющейся по произвольному закону.

Следящие системы можно разделить на две основные группы: а) самосинхронизирующиеся следящие системы;

б) следящие системы с искусственной внешней синхронизацией при помощи обратных связей.

К самосинхронизирующимся следящим системам, в которых с определенной степенью точности осуществляется синхронное и синфазное перемещение двух или нескольких не связанных между собой механических валов, относятся следящие приводы. Следящим приводом называется устройство, при помощи которого объект регулирования с определенной точностью воспроизводит движение, задаваемое следящим органом.

Следящий привод, включающий элементы автоматического управления, позволяет воспроизводить требуемые перемещения в широких пределах по произвольному закону от устройства (датчика), задающего этот закон, что обуславливает его широкое применение. Следящий привод может использоваться для автоматического контроля за изменением различных физических величин, для автоматического управления поворотом массивных платформ на заданный угол, например, в экскаваторах, в системе автоматического вождения автомобиля, при автоматизации процессов управления землеройнопланировочными машинами.

В данной работе рассматривается синхронно следящий привод, который состоит из сельсина-датчика (задающий орган, сельсинатрансформатора (датчика угла поворота объекта), фазочувствительного электронного усилителя и исполнительного двигателя, перемещающего какой-либо объект. Структурная схема следящего привода приведена на рис.5.1.

Элементы следящего привода соединены между собой так, что изменение в положении датчика воздействует через элемент сравнения и усилитель на исполнительный двигатель, который отрабатывает заданную величину перемещения. Процесс работы следящего привода сводится к автоматическому устранению возникающего рассогласования.

Синхронноследящие приводы с электронными усилителями обладают следующими достоинствами:

1)быстрое протекание переходных процессов благодаря сравнительно малой инерционности системы управления;

2)отсутствие вращающихся и трущихся частей в усилителе.

Кнедостаткам системы можно отнести:

1)ограниченную мощность исполнительного двигателя;

2)сравнительно большую ошибку в слежении при установившемся режиме;

3)чувствительность работы системы к колебаниям напряжения сети. Особенности работы системы синхронно следящего привода

выявляются при анализе ее статических и динамических характеристик. Под статическими характеристиками следящего привода понимают зависимость момента, тока и других параметров в схеме от величины угла рассогласования в установившемся режиме, когда отработка угла исполнительным двигателем происходит с неизменной скоростью. Однако только статические характеристики неполно характеризуют работу следящего привода. Необходимо, кроме статических характеристик, знать также и динамические свойства системы, определяющие устойчивость, величину угла рассогласования в переходном режиме, время переходного режима и т.п. Эти свойства системы анализируются на основании уравнений переходного режима. В

данной работе изучаются только статические характеристики.

Важной характеристикой следящего привода является статическая ошибка, которая в данном случае представляет собой разность между углом поворота ротора сельсина-датчика (задающий орган) и углом поворота объекта (вала исполнительного двигателя). Статическая ошибка измеряется после прохождения всех переходных процессов,