Элементы систем автоматики

Рис. 5. Схема индуктивного датчика линейных перемещений

нейности. Представленный тип датчика однополярен. Для улучшения его характеристики используется его биполярная схема, представленная на рис. 6.

Рис. 6. Схема биполярного индуктивного датчика линейных перемещений

В отличие от однополярных индуктивных датчиков, биполярный индуктивный датчик имеет два магнитопровода и две рабочие обмотки. Между магнитопроводами помещается якорь, связанный с объектом управления. Рабочие обмотки датчика питаются от выходной обмотки трансформатора, выполненного по схеме со

11

средней точкой. В цепь питания рабочих обмоток подсоединяется сопротивление нагрузки. Рабочие обмотки совместно с вторичными обмотками трансформатора образуют индуктивный мост, равновесие которого наблюдается только при среднем положении якоря. Смещение якоря от нейтрального, равновесного положения в любую сторону вызывает разбаланс этого моста, в результате чего на нагрузочном сопротивлении R возникает потенциал Uâûõ. Напряжение этого потенциала меняет свою полярность в зависимости направления перемещения якоря от нейтрального положения. Поэтому характеристика этого датчика биполярна (рис. 6, б).

Недостатком однополярного и биполярного индуктивных дат- чиков является малое перемещение якоря в рабочей зоне, составляющее долю сантиметра. Поэтому для замера больших перемещений объектов управления они не пригодны. В этом случае используют длинноходовые индуктивные датчики. Схема такого датчика представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема длинноходового индуктивного датчика линейных перемещений

Длинноходовой индуктивный датчик состоит из двух рабочих катушек 1, которые наматываются на немагнитный каркас, и стерж- ня-якоря 2, помещенного во внутрь каждой катушки и связанного с объектом управления. Катушки по мостовой схеме аналогично

12

подключаются к источнику питания через вторичную обмотку трансформатора. При симметричном положении якоря относительно катушек общая их индуктивность одинаковая, что вызывает равновесие мостовой схемы питания датчика, при этом выходной сиг-

íàë Uâûõ 0

При смещении якоря объектом управления в сторону одной из катушек происходит разбалансировка моста с появлением выходного сигнала определенной полярности. При перемещении стержня в обратном направлении происходит смена полярности выходного сигнала. Таким образом, характеристика длинноходового датчика аналогична характеристике биполярного.

2.4. Трансформаторный датчик угловых перемещений

Трансформаторные датчики применяются для измерения углового перемещения. Схема такого датчика представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема трансформаторного датчика угловых перемещений

Трансформаторный датчик состоят из магнитопровода 1, ротора с петлевой обмоткой 2, связанного с объектом управления, и обмотки возбуждения 3, которая питается переменным напряжением.

Принцип работы трансформаторного датчика. При подключе- нии обмотки к источнику питания переменного напряжения эта обмотка наводит в магнитопроводе переменный магнитный поток, который, сцепляясь с петлевой обмоткой ротора, создает выходной сигнал. Величина этого сигнала подсчитывается по формуле:

13

где — угол отклонения ротора, создаваемый объектом управления, т. е. чем больше , тем нелинейней его выходная характеристика.

Трансформаторные датчики являются основой для работы элек- тро-механических устройств дистанционного углового перемещения объектов управления. К таким устройствам относятся сельсины.

2.5. Сельсины

Сельсином называют электромеханическое устройство, предназначенное для дистанционного углового управления объектом.

Сельсины всегда работают в паре. При этом один из них называется сельсин-датчик (СД), он задает угловое перемещение объектам. Второй — сельсин-приемник (СП), он связан с объектом управления и отрабатывает заданный сельсином-датчиком угол перемещения. Оба типа сельсинов устроены одинаково. Сельсин состоит из статорной однофазной обмотки возбуждения и роторной трехфазной обмотки синхронизации.

По способу соединения между собой обмоток сельсина-датчи- ка с сельсином-приемником различают две схемы такого соединения: индикаторную и трансформаторную.

Индикаторная схема соединения сельсинов применяется в том случае, когда объект управления оказывает незначительное сопротивление своему угловому перемещению, поэтому в этом случае для поворота объекта управления достаточно энергии сельси- на-приемника. Индикаторная схема соединения сельсинов представлена на рис 9.

По этой схеме соединения сельсинов их обмотки возбуждения подключаются параллельно к однофазной сети переменного тока. А трехфазные обмотки синхронизации соединяются пофазно через линию связи.

Принцип работы сельсинов, подключенных по индикаторной схеме. При параллельном подключении обмоток возбуждения обоих сельсинов к источнику переменного напряжения они возбуждают в статорах переменный магнитный поток, который наводит в обмотках синхронизации переменную ЭДС, величина которой в каждой ее фазе находится по формулам:

14

Согласно уравнениям (4), (5), если или = 0, то в точках À è A, B è B, C è C потенциалы будут одинаковыми (равными нулю), поэтому в линии связи ток отсутствует. В этом случае сельсины находятся в равновесном, согласованном состоянии. Аналогичное согласованное, но неустойчивое состояние будет наблюдаться? если 180 градусов.

Если 0 то потенциалы в точках À è A, B è B, C è C будут не одинаковыми и в линии связи пойдет ток, который взаимодействует с магнитным потоком возбудителя. В результате образуется

Этот момент поворачивает роторы сельсинов в согласованное состояние Максимальная величина такого момента будет возникать при 90 градусов. Если величина 180 градусов, то сельсины

15

вновь находятся в согласованном, но неустойчивом состоянии, т. к. любое незначительное отклонение от этого углового положения вызывает появление вращающегося момента, стремящего повернуть роторы сельсинов в согласованное состояние.

Трансформаторная схема соединения сельсинов используется в том случае, если объект управления оказывает большое сопротивление своему повороту. При этом энергии сельсина-приемника недостаточно для этого поворота. В этом случае поворот осуществляется за счет подвода дополнительной энергии к сельсину-приемнику. Трансформаторная схема соединения сельсинов представлена на рис 10.

Рис. 10. Трансформаторная схема соединения сельсинов

Суть трансформаторной схемы соединения сельсинов состоит в следующем: обмотка возбуждения сельсина-датчика подключается аналогично предыдущей схеме, а обмотка возбуждения сельси- на-приемника подключается на вход усилителя (источника внешней энергии). Выходной сигнал усилителя питает исполнительный двигатель, один конец вала которого соединен с ротором сельси- на-приемника, а другой конец — с объектом управления.

Принцип работы сельсинов, соединенных по трансформаторной схеме несколько отличается от предыдущего. Обмотка возбуждения сельсина датчика создает в обмотке синхронизации этого сельсина переменную ЭДС, величина которой подсчитывается по формуле (4). Так как обмотка возбуждения сельсина-приемника подключена на вход усилителя, то она не наводит ЭДС в обмотке синхронизации сельсина-приемника. Поэтому в точках A , B ,C напряжение отсутствует и в линии связи всегда есть разность потенциалов, а это значит, что там всегда течет ток. Этот ток наводит маг-

16

нитный поток в каждой фазе A , B ,C обмотки синхронизации сель- сина-приемника. Вектор суммарного направления этого потока всегда отклонен на угол относительно магнитной оси обмотки возбуждения сельсина-приемника.

Если 0, то направление суммарного магнитного потока обмотки синхронизации сельсина–приемника будет совпадать с магнитной осью обмотки возбуждения этого сельсина. В результате этим суммарным магнитным потоком в этой обмотке будет наводиться максимальная ЭДС. Так как обмотка возбуждения сельси- на-приемника соединена со входом усилителя, то при появлении

âней ЭДС от суммарного магнитного потока обмоток синхронизации на выходе усилителя появляется выходной сигнал, который будет питать исполнительный двигатель. При подаче сигнала от усилителя к двигателю происходит его вращение. При вращении вала двигателя начинается одновременное угловое перемещение как объекта управления, так и ротора сельсина-приемника. При повороте этого ротора сельсина-приемника меняется направление суммарного магнитного потока его обмоток синхронизации относительно магнитной оси обмотки возбуждения этого сельсина. При этом, вследствие изменения величины угла меняется (от максимума до нуля) величина ЭДС на входе усилителя, которая будет соответственно уменьшать величину углового поворота исполнительного двигателя. При повороте ротора двигателя на 90 градусов магнитный поток обмоток синхронизации сельсина-приемника перпендикулярен магнитной оси его обмотки возбуждения. Поэтому ЭДС

âней наводиться не будет, в результате чего на входе усилителя сигнал исчезает и исполнительный двигатель останавливается. Это состояние ( 90) при трансформаторной схеме соединения является согласованным, угловым положением сельсинов. По аналогии неустойчивое, но согласованное состояние сельсинов, соединенных по этой схеме, будет наблюдаться при 270градусов.

2.6. Датчики уровня

По виду измеряемой среды все датчики уровня делятся на дат- чики измерения уровня раздела жидкой фазы этой среды и датчики измерения уровня раздела сыпучей фазы измеряемой среды.

17

2.6.1. Датчики измерения уровня раздела жидкой фазы

По принципу работы датчики измерения уровня раздела жидкой фазы делятся на поплавково-реостатные; поплавково-импульс- ные; поплавково-резисторные; поплавково-контактные.

Поплавково-реостатный датчик уровня показан на рис. 11. Основой такого датчика является поплавок 1, связанный рычажной системой 2 с движком потенциометра 3. При изменении уровня жидкой среды, на поверхности которой плавает поплавок 1, изменяется положение движка потенциометра 3. В результате этого изменяется величина вы-

ходного сигнала Uâûõ.

Поплавково-импульсный дат- чик уровня показан на рис. 12.

Этот датчик состоит из излуча-

Рис. 11. Схема поплавково-реостатного

датчика уровня теля ультразвуковых колебаний 1, воспринимающей катушки 2, волновода 3 и поплавка с встроенным постоянным магнитом 4.

Принцип работы этого датчика состоит в том, что излучатель ультразвуковых колебаний 1 посылает по волноводу 3 импульс ультразвуковых колебаний, который распространяется по волноводу и деформируют его. С другой стороны, постоянный магнит поплавка намагничивает волновод в области их соприкосновения, создавая в этой области магнитное поле. Согласно магнитострикционному эффекту деформация магнитопровода (волновода) вызывает изменение магнитного поля (в области соприкосновения с поплавком). В свою очередь, изменение магнитного поля вызывает появление ЭДС в воспринимающей катушке 2, расположенной внутри этого волновода. Эта ЭДС проявляется в виде короткого вторичного (отраженного) импульса напряжения в катушке 2, смещенного на время прохождения колебаний по волноводу.

Система измерения датчика определяет время между появлением излучаемого и отраженного импульсов, величина которого прямо пропорциональна положению поплавка на волноводе. Существуют поплавково-импульсные датчики уровня, работающие по принципу обратного магнитострикционного эффекта. В этом слу- чае первоначальный излучающий импульс подается в катушку 2,

18

расположенную внутри волновода 3 датчика. Этот импульс меняет величину магнитного потока поплавка. За счет обратного магнитострикционного эффекта происходит механическая деформация волновода в зоне его сопряжения с магнитом поплавка. Эта деформация в виде звуковой волны распространяется по волноводу и че- рез некоторое время достигает его верхнего торца, где расположен чувствительный пьезоэлемент. Деформируясь, этот элемент вызывает появление отраженного электрического импульса, аналогич- ного отраженному импульсу датчика, работающего по принципу прямого магнитострикционного эффекта.

Рис. 12. Схема поплавково-импульсного датчика уровня

Поплавково-резисторный датчик уровня показан на рис. 13, а. Он состоит из набора сопротивлений 2 (резисторов), последовательно подсоединенных как к сопротивлению нагрузки Rí, так и к источнику питания и помещенных внутри направляющей трубы 1. К точке сопряжения каждой пары резисторов подключа- ется магнитоуправляемый контакт 4 (геркон), который может быть замкнут магнитным полем постоянного магнита, встроенного в поплавок 3.

Принцип работы этого датчика состоит в том, что, плавая на поверхности жидкой фазы, поплавок 3 магнитным полем своего постоянного магнита замыкает только те герконы, которые находятся в непосредственной близости от полюсов этого магнита. При замы-

19

кании каждого из герконов закорачивается электрическая цепь последовательного подключения резисторов, в результате чего изменяется напряжение Uâûõ на сопротивлении нагрузки.

Поплавково-контактный датчик уровня показан на рис. 13, б. Он состоит из пустотелого поплавка 1, внутри которого помещается токопроводящий шар 2. Поплавок на постоянном уровне гибкой

Рис. 13. Схема поплавково-резисторного (а) и поплавково-контактного (б) датчиков уровня

связью прикреплен к стенке сосуда с жидкостью. Через гибкую связь проходят провода к контакту 3, расположенному во внутренней полости поплавка. Этот датчик относится к датчикам дискретного типа. При изменении уровня жидкости в сосуде меняется угловое положение жестко закрепленного на гибкой связи поплавка. При этом меняется положение токопроводящего шара относительно контакта, который может быть замкнут или разомкнут им в зависимости от уровня жидкости.

2.6.2. Датчики измерения уровня раздела сыпучей фазы

Принцип работы датчиков измерения уровня раздела сыпучей фазы основан на поглощении сыпучей средой какого-нибудь вида излучения. Конструктивно такое излучение может создаваться источником, как и восприниматься приемником, находящихся за пределами бункера с сыпучим материалом (рис 14, à) и помещенных внутри этого бункера (рис 14, á). В первом случае источник излуче- ния должен быть достаточно мощным, чтобы преодолевать без по-

20