книги из ГПНТБ / Овчаренко, В. М. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы учебник

включать измерительные обмотки. Для выполнения третьего условия в компенсаторе должна быть предусмотрена возможность регулиро­ вания напряжения по амплитуде.

Компенсатор. В качестве компенсатора в приборах для измере­ ния параметров бурения применен бесконтактный индукционный потенциометр (рис. 6). Он состоит из статора 1 и ротора 2, могущего поворачиваться вокруг своей оси на 80°. На статоре размещена об­ мотка возбуждения 3, а на роторе — две измерительные обмотки 4,

почти перпендикулярна магнитным силовым линиям, ее пронизывает максимальный переменный магнитный поток и в измерительных об­ мотках индуктируется максимальная э. д. с. Следовательно, на­ пряжение, снимаемое с измерительных обмоток потенциометра, пропорционально углу поворота его ротора.

Структурная схема компенсационного прибора переменного тока показана на рис. 7. Основными частями являются компенсатор, электронный усилитель, реверсивный двигатель с обмоткой воз­ буждения 1, обмоткой управления 4 и ротором 3 и шкальный меха­ низм; электрические соединения между частями прибора изображены сплошными, а механические передачи — пунктирными линиями.

Ток возбуждения индуктирует в измерительной обмотке компен­ сатора напряжение, величина которого пропорциональна углу поворота ротора. Напряжение, индуктируемое в измерительной об­ мотке компенсатора, и напряжение сигнала, поступающего с датчика, всегда находятся в противофазе 1. Поэтому результирующее напряже­ ние, поступающее на вход усилителя, равно разности напряжений датчика и компенсатора. Если напряжение датчика равно напряже-

1 Этого легко добиться, если датчик и компенсатор питаются от одной и той же сети переменного тока. При этом магнитные потоки, создаваемые то­ ками возбуждения и индуктируемые этими потоками напряжения в измеритель­ ных обмотках датчика и компенсатора совпадают по фазе. При последователь­ ном соединенпи обмоток датчика и компенсатора (конец одной обмотки с началом другой) их напряжения складываются, а при встречном включении (конец с концом) — вычитаются.

30

нию компенсатора, результирующее напряжение на входе усили­ теля отсутствует, с выхода усилителя в обмотку управления ревер­ сивного двигателя ток не поступает, ротор двигателя и связанный с ним посредством кинематической передачи ротор компенсатора остаются неподвижными. При этом стрелка-указатель отклонена на угол, соответствующий напряжению, создаваемому компенсато­ ром, а следовательно, и напряжению, поступающему в данный мо­ мент с датчика.

Рис. 7. Структурная схема компенсационного прибора перемен­ ного тока:

1 — обмотки возбуждения; 2 — измерительные обмотки; з — ротор реверсив­ ного двигателя; 4 — обмотка управления реверсивного двигателя

При изменении контролируемого параметра напряжение, посту­ пающее с датчика, также изменяется и на входе усилителя по­ является результирующее напряжение. Усиленный сигнал поступает в обмотку управления реверсивного двигателя, ротор которого начи­ нает поворачиваться, причем направление поворота зависит от фазы результирующего напряжения; если напряжение датчика превосхо­ дит напряжение компенсатора, ротор поворачивается в одном на­ правлении, а в противном случае — в противоположном направле­ нии. Поворот ротора двигателя через кинематическую схему вызы­ вает соответствующий поворот ротора компенсатора, что в свою очередь приводит к изменению напряжения, индуктируемого в его измерительной обмотке. Роторы двигателя и компенсатора и свя­ занная с ними стрелка-указатель будут поворачиваться до тех пор пока напряжение компенсатора станет равным новому значению напряжения датчика. Как только это произойдет напряжение на входе усилителя исчезнет, обмотка управления реверсивного дви­ гателя обесточится и роторы, а также стрелка-указатель остано­ вятся в положении, соответствующем новому значению измеряемого параметра.

31

§ 2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ДАТЧИКИ)

Датчики подразделяются на две основные группы: параметри­ ческие и генераторные.

В параметрических датчиках измеряемая неэлектрическая вели­ чина воздействует на один из электрических или магнитных пара­ метров: активное сопротивление R, индуктивность L, емкость С или магнитную проницаемость ц. К этой группе относятся: р е о ­ с т а т н ы е д а т ч и к и , д а т ч и к и к о н т а к т н о г о с о ­

ц и о н н ы е д а т ч и к и .

В генераторных датчиках измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в электродвижущую силу — э. д. с. К этой группе относятся и н д у к ц и о н н ы е , т е р м о э л е к т р и ч е с к и е и п ь е з о э л е к т р и ч е с к и е д а т ч и к и , а т а к ж е т а - х о г е н е р а т о р ы .

Рассмотрим устройство, схемы включения и принцип работы дат­ чиков, применяемых в аппаратуре для измерения параметров буре­ ния.

Реостатные датчики

Реостатный датчик — это реостат или потенциометр, движок ко­ торого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Измерив электрическое сопротивление реостата, можно определить искомую неэлектрическую величину.

Рис. 8. Схема измерения уров­ ня или объема жидкости

На рис. 8 показана схема измерения уровня или объема жидкости при помощи реостатного датчика и магнитоэлектрического логометра. При изменении уровня жидкости происходит перемещение поплавка 1, а следовательно, и механически связанного с ним движка потенциометра R. Это приводит к изменению сопротивлений плеч потенциометра, что вызывает увеличение тока в обмотке одной рамки логометра и соответственное уменьшение тока второй рамки. В ре­ зультате изменяется отношение токов, а следовательно, и угол пово­ рота подвижной части прибора. Шкала магнитоэлектрического логометра градуируется в единицах уровня или объема жидкости.

32

Емкостной датчик

Емкостной датчик — это конденсатор, емкость которого изме­ няется под действием измеряемой неэлектрической величины.

Как известно, емкость конденсатора зависит от площади элек­ тродов, их формы, расстояния между ними, а также от диэлектри­ ческой проницаемости диэлектрика, находящегося между электро­ дами.

В емкостных датчиках, применяемых в манометрах и динамоме­ трах, под действием измеряемого давления или силы изменяется воз­ душный зазор между пластинами плоского конденсатора, что при­ водит к изменению его емкости. Емкостные датчики, как и индуктив­ ные, могут применяться только в цепях переменного тока. При изме­ нении емкости датчика изменяется его емкостное сопротивление хс = 1/2я/С, что приводит к изменению тока, протекающего через измерительный прибор. Так как емкость датчика обычно мала, то при его включении в цепь переменного тока промышленной частоты 50 Гц сопротивление датчика будет велико, а значит, ток I = Ulxc мал и может оказаться недостаточным для нормальной работы изме­ рительного прибора. Поэтому емкостные датчики питают током высо­ кой частоты, что приводит к уменьшению емкостного сопротивле­ ния хс = \l2nfC, а следовательно, к увеличению силы тока. Если и это оказывается недостаточным, применяют электронные усилители.

Индукционный датчик

Индукционные датчики относятся к датчикам генераторного типа; они применяются, в частности, в тахометрах — приборах для

Шкала измерительного прибора, соединяемого с обмоткой якоря, градуируется в единицах скорости вращения.

34

При механическом воздействии на сердечник в его материале возникают механические напряжения, что приводит к уменьшению магнитной проницаемости. Это в свою очередь вызывает уменьшение

Электронными усилителями называются устройства, предназначенные для усиле­ ния электрических сигналов с помощью электронных приборов. Усилители клас­ сифицируются по нескольким признакам.

В зависимости от применяемых при­ боров различают ламповые и полупровод­ никовые (транзисторные) усилители.

В зависимости от диапазона частот усиливаемых электрических сигналов раз­ личают усилители низкой частоты (УНЧ),

работающие в диапазоне от 20 Гц до 16—20 кГц, усилители высо­ кой частоты (УВЧ), работающие в диапазоне выше 20 кГц. В отдель­ ную группу выделяют усилители постоянного тока (УПТ).

По назначению имеются усилители напряжения и усилители мощности, в зависимости от того, какая из этих величин на выходе усилителя должна быть значительно больше, чем на его входе.

В зависимости от характера нагрузки различают апериодические, резонансные и полосовые усилители. В апериодических усилителях нагрузкой служат резисторы или трансформаторы; эти усилители не обладают избирательными свойствами и усиливают примерно одинаково сигналы всех частот своего рабочего диапазона. В резо­ нансных и полосовых усилителях нагрузкой служат одиночные или связанные резонансные контуры; такие усилители усиливают сиг­ налы в границах определенной полосы частот, а сигналы всех осталь­ ных как более низких, так и более высоких частот не только не уси­ ливают, но даже ослабляют.

В аппаратуре для контроля и измерения параметров бурения применяются апериодические усилители низкой частоты, ламповые и транзисторные.

Важнейшим качественным показателем работы электронного усилителя напряжения является коэффициент усиления К, который показывает, во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя

36

Коэффициент усиления одного каскада обычно составляет 20— 40. Во многих случаях этого недостаточно, и тогда последовательно включают несколько каскадов. Коэффициент усиления многокаскад­ ного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдель­ ных каскадов

Иногда коэффициент усиления выражается особыми логарифми­ ческими единицами — децибелами дБ. Переход к децибелам произ­ водится при помощи выражения

Следовательно, усиление равно одному децибелу, если напряже­ ние на выходе усилителя в 1,12 раза больше, чем на входе.

Для многокаскадных усилителей

К дБ = 20 lg К = 20 lg ( В Д Д з . . . Кп) =

= 20lg Кг + 20lg А2 -J- 20lg А3 -f .. . + 201gA„, т. е.

Рассмотрим схемы и принцип работы электронных усилителей, применяемых в аппаратуре для измерения параметров бурения.

Резистивные усилители напряжения

Усилители, у которых нагрузкой являются резисторы, называются резистивными. Схема лампового резистивного усилителя напряжения показана на рис. 13. В ее состав входят: триод, нагрузочный рези­ стор R„, резисторы в цепях катода и сетки R Kи R c, разделительные конденсаторы СР1 и Ср2, блокировочный конденсатор С,-я и конден­ сатор в цепи катода Ск. Для работы лампы необходим источник постоянного напряжения Uа для питания анодной цепи (обычно 100—300 В) и источник переменного напряжения UH для питания цепи накала (обычно 1—6 В). При отсутствии входного сигнала в анодной цепи лампы протекает постоянный ток: + Ua, R H, анод— катод лампы, RK—Ua. Этот ток создает постоянное напряжение на нагрузке: U„ = / а RH, которое не пропускается разделительным конденсатором Сра на выходные зажимы. Следовательно, при отсут­ ствии входного сигнала напряжение на выходе также отсутствует. Одновременно анодный ток создает постоянное напряжение на ка­ тодном резисторе: UK= / а Ra. Положительный полюс этого напряже­ ния находится на катоде, а отрицательный — через резистор R c по­ дается на сетку, создавая автоматическое смещение.

37

Благодаря этому напряжению рабочая точка а смещается в ле­ вую часть анодно-сеточной характеристики лампы. Разделительный конденсатор СР1 не пропускает напряжение смещения на входные зажимы усилителя.

Переменное напряжение входного сигнала прикладывается к участку сетка — катод лампы и управляет анодным током. В те полупериоды, когда на сетке плюс, а на катоде минус, анодный ток увеличивается; в другие полупериоды, когда на сетке минус, а на катоде плюс, анодный ток уменьшается. Таким образом, анодный

Рис. 13. Ламповый резистивный усилитель напряжения.

а — схема; б — графики, поясняющие работу усилителя

ток становится пульсирующим, содержащим постоянную и перемен­ ную составляющие. Постоянная составляющая анодного тока со­ здается источником питания Ua. Источником переменной составля­ ющей анодного тока условно считают лампу, так как изменение анодного тока вызывается изменением напряжения на сетке лампы.

В те полупериоды, когда анодный ток возрастает, постоянная и переменная составляющие складываются и, следовательно, проте­ кают в одном и том же направлении; в эти полупериоды ток перемен­ ной составляющей проходит от катода через конденсаторы Ск и Сбл и резистор R H к аноду. В другие полупериоды, когда анодный ток уменьшается, постоянная и переменная составляющие вычитаются и, следовательно, протекают в противоположных направлениях; в эти полупериоды ток переменной составляющей проходит от анода через RH, Сбл и Ск и катоду.

Переменная составляющая анодного тока создает на резисторе i?H переменное напряжение, которое через разделительный конденса­ тор СР2 подается на выход усилительного каскада. При достаточно большой амплитуде переменной составляющей анодного тока и со­ ответствующем подборе сопротивления нагрузки напряжение на

38

выходе каскада может в десятки раз превосходить напряжение вход­ ного сигнала.

Среднее значение коэффициента усиления резистивного каскада на триоде

(2-17)

где р — коэффициент усиления лампы; R H— сопротивление на­ грузки; R[ — внутреннее сопротивление лампы переменному току.

Схема резистивного усилителя напряжения на транзисторе пока­ зана на рис. 14.

Рис. 14. Транзисторный резистивный усилитель напряжения.

а— схема; б — графики, поясняющие работу усилителя

Всостав схемы входят: транзистор типа р —п—р х, делитель напряжения, состоящий из резисторов R x и R 2, нагрузочный рези­ стор R H, резистор и конденсатор в цепи эмиттера R 3 и Сэ, раздели­ тельные конденсаторы Ср1 и Ср2 и блокировочный конденсатор Сбл. Питание цепей транзистора осуществляется от источника постоян­ ного тока напряжением 8—10 В с помощью делителя. При включении питания ток проходит через делитель и создает на его резисторах напряжение с полярностью, показанной на схеме. Обычно R 1 вы­

бирают в 2—3 раза меньше, чем R 2, и поэтому напряжение Uх в 2— 3 раза меньше напряжения U 2. Под воздействием напряжения Uх основные носители заряда перемещаются из эмиттера в базу:1

1 В транзисторах р —п—р эмиттер п коллектор обладают дырочной про­ водимостью (типа р), а база — электронной проводимостью (типа п). В некото­ рых случаях применяются также транзисторы типа п—р —п, у которых мпттер и коллектор имеют электронную, а база — дырочную проводимость.

39