книги из ГПНТБ / Катков, Ф. А. Телемеханика учеб. пособие

дожить, что конечная относительная погрешность преобразования бпр с достаточной степенью точности будет представлена суммой погреш­ ностей первого и второго преобразователей:

преобразователей; Рн, уп — номинальное значение выходных парамет­

ров преобразователей; Ль Уо — начальное значение выходных параметров.

Очевидно, что при последовательном включении нескольких пре­ образователей результирующая погрешность преобразования равна сумме погрешностей отдельных преобразователей.

Параллельное включение обычно предусматривает прямое и обрат­ ное преобразование. Преобразователь 2 (рис. 7.1) обеспечивает об­ ратную связь, которая может быть как положитель­ ной, так и отрицательной. Если он имеет функцию

^ преобразования

Для простейшего случая функция преобразования преобразователя 1

где кр — результирующий коэффициент преобразования двух преобра­ зователей, который можно записать так:

В случае, если в блоке преобразователей применена отрицательная обратная связь, кр <; к; при положительной обратной связи кр > к.

Величина S = носит название коэффициента статизма и может

быть выражена через х и хос.

170

Коэффициент статизма 5 показывает, какое значение имеет величи­ на, подаваемая на вход преобразователя /. При положительной об­ ратной связи S > 1, при отрицательной — S < 1.

Сравним погрешности преобразователя с обратной связью и без нее. Для преобразователя без обратной связи с линейной функцией преобразования

относительная погрешность преобразователя, обусловленная непосто­ янством коэффициента преобразования к, будет меньше, чем погреш­ ность преобразователя без обратной связи. При положительной обрат­ ной связи, когда S > 1, стабильность преобразования последнего бу­ дет в 5 раз хуже.

Величина относительной погрешности преобразователя с обратной связью зависит также от стабильности коэффициента преобразования

171

Дифференцируя по ß, получаем

(7.19)

Относительная погрешность преобразователя

Из последнего выражения видно, что относительная погрешность преобразователя с обратной связью пропорциональна относительной нестабильности коэффициента преобразования 6 ß, т. е. для обеспече­ ния стабильной работы преобразователя с обратной связью величина

ßдолжна быть неизменной.

Упреобразователей с отрицательной обратной связью за счет того, что коэффициент статизма «S < 7 1, величина относительной погрешно­ сти 8у (ß) всегда меньше öß. Для обеспечения высокой стабильности необходимо, чтобы S -ѵ 0. Однако нулевым статизм быть не может, так как в этом случае выходной параметр также будет равен нулю. Преобразователи рассмотренного типа носят название статических.

Преобразователи с обратной связью могут работать и при условии полной компенсации входного параметра. В этом случае

* = х о с = ß (У — Уо),

откуда

Относительная погрешность, обусловленная непостоянством коэф­ фициента преобразования к преобразователя

Относительная погрешность от непостоянства коэффициента пре­ образования ß

Поэтому важным фактором точной работы такого преобразователя является жесткая стабилизация преобразователя обратной связи. Пре­ образователи с компенсацией входного параметра носят название астатических.

7.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Трансформаторный (индукционный) преобразователь. Датчик такого типа применяется для преобразования угла поворота подвижной си­ стемы первичного измерительного прибора в пропорциональное пере­ менное напряжение и представлет собой трансформатор с переменным коэффициентом связи между первичной и вторичной катушками. Конст­ руктивно трансформаторный преобразователь выполнен в виде под­ ковообразного сердечника (рис. 7.2, а) из мягкой стали, на котором намотана обмотка wlt питающаяся от сети переменного тока стандарт­ ным напряжением 2 2 0 в.

172

Расточка полюсного наконечника имеет форму цилиндра, внутри которого помещен неподвижный якорь 4. В зазор между якорем и сер­ дечником вставлена рамка w2\ ось ее через поводок связывается с осью подвижной системы первичного измерительного прибора ПИ.

Величина э. д. с., индуктируемой в рамке, зависит от расположе­ ния рамки в магнитном поле. Она максимальна, когда плоскость рам­ ки перпендикулярна к направлению магнитного потока, и минимальна, когда плоскость рамки совпадает с ним.

Рис. 7.2. Схема (а) и напряжения на клеймах (б) индукционного преобразователя.

Промежуточные значения величины напряжения на рамке будут зависеть от угла поворота подвижной системы первичного измери­ тельного прибора а и изменяются по линейному закону в пределах

Из последнего выражения видно, что выходное напряжение датчи­ ка зависит не только от угла поворота рамки, но и от частоты и вели­ чины питающего напряжения, которое должно быть стабилизиро­ ванным.

Угол поворота подвижной системы в первичных измерительных приборах часто превышает 70°. В этом случае для сохранения линей­ ной зависимости между выходным напряжением преобразователя и углом поворота рамки на его сердечник наматывают дополнительную обмотку ш3. Напряжение на этой обмотке U3 обычно выбирается

173

равным 1,Ш 2 (рнс. 7.2, б). Обмотку ш3включают последовательное рам­ кой. Минимальное показание преобразователя при этом сдвигается (рис. 7.2, б), так как при отрицательных значениях а напряжения рам­ ки и обмотки w3 направлены встречно, а при положительных — они совпадают. Выходное напряжение преобразователя С/шх снимается с клемм 1,3 и изменяется от О, Ш 2 до 2,1Н2 в пределах а = —70 -j- +70°.

Во время работы преобразователя под нагрузкой по цепи рамки протекает ток, который при взаимодействии с основным потоком в магнитопроводе создает тормозной момент, отрицательно влияющий на работу первичного измерительного прибора. Величина тормозного мо­ мента равна

где кь к2 — коэффициенты пропорциональности; / н — ток нагрузки.

Тормозной момент можно уменьшить двумя способами: снижением тока /„ или приближением к нулю сдвига фаз между U2 и /„. Ток на­ грузки может быть снижен при работе датчика на устройство с высо­ коомным входом типа электронной лампы. Для получения сдвига фаз, близкого к нулевому, последовательно с нагрузкой можно включить /\С-цепочку (рис. 7.2, а), компенсирующую индуктивности обмоток.

Величину резистора R и емкости С легко рассчитать, исходя из ра­ венства индуктивного сопротивления емкостному. При параллельном соединении R и С общее сопротивление цепочки находится из выраже­ ния

Поскольку значение емкостного сопротивления должно быть рав­

Ввиду того, что индуктивность рамки L2 не остается постоянной и изменяется с углом ее поворота, полной компенсации индуктивного сопротивления получить не удается.

174

На практике трансформаторные преобразователи применяются с приборами, устанавливающий момент которых лежит в пределах 10,5— 10 гем. Выходное напряжение датчика составляет 5—30 а.

Балансные преобразователи. Датчики этого типа используются при телеизмерениях для преобразования угла поворота подвижной системы первичного измерительного прибора в постоянный ток. Прин­ цип работы таких преобразователей заключается в том, что заданная зависимость между током на выходе преобразователя и углом поворо­ та подвижной системы первичного измерительного прибора поддержи­ вается с помощью автоматического регулятора.

Рис. 7.3. Схема (а) и образование гибкой связи между компенсатором и первичным измерительным прибором (б) балансного преобразователя.

Преобразователь (рис. 7.3, а) состоит из компенсационного устрой­ ства КУ, выполненного в виде магнитоэлектрического прибора с рам­ кой Р, помещенной в поле постоянного магнита N — S, регулято­ ра тока РТ и первичного измерителя ПИ, связанного жестко или через вспомогательную пружину ВП (рис. 7.3, б) с компенсационным устройством. На оси подвижной системы КУ помещен поводок регули­ рующего приспособления П, управляющий работой регулятора тока РТ. Схема собрана таким образом, что ток нагрузки /,„ проходя через рамку компенсирующего устройства, создает момент Мку, направлен­ ный встречно моменту подвижной системы первичного измерителя Мпо (рис. 7.3, а). В случае жесткой связи ПИ с КУ противодействующая пружина ВП отсутствует и закон преобразования получается из условия равновесия всей подвижной системы, наступающего при равенстве противодействующих моментов,

Моменты, создаваемые первичным измерительным прибором И KOM- пенсационным устройством, соответственно равны:

где А — значение измеряемой величины; к — коэффициент пропорциональности.

Следовательно,

175

В такой схеме ток нагрузки является функцией измеряемого пара­ метра, причем полное регулирование обеспечивается при отклонении подвижной системы КУ на угол 1—3°. Поэтому первичный измери­ тельный прибор не может быть использован для визуального отсчета показаний.

При гибкой связи ПИ с КУ (рис. 7.3, б) момент вспомогательной пружины ВП выбирается значительно меньше момента, создаваемого противодействующей пружиной ПИ, так что закручивание ВП прак­ тически не сказывается на работе первичного измерителя и он может использоваться в качестве показывающего прибора. Закон преобразо­ вания для этого случая получается из условия равновесия системы, наступающего при равенстве момента КУ с моментом, создаваемым вспомогательной пружиной ВП,

Момент, создаваемый вспомогательной пружиной, пропорциона­ лен разности углов отклонения подвижных систем первичного измери­ теля а Пн и компенсационного устройства а ку, т. е.

т. е. ток в нагрузке пропорционален углу поворота подвижной систе­ мы первичного измерителя ат.

Балансные преобразователи обладают двумя положительными ка­ чествами. Первое заключается в том, что ток в нагрузке не зависит от сопротивления соединительных проводов. Второе касается того, что на точности их работы не сказываются колебания напряжения источ­ ника питания.

Рассмотренный преобразователь относится к устройствам с компен­ сацией вращающих моментов. Принципиально балансные преобразо­ ватели могут быть выполнены с компенсацией магнитных потоков, на­ пряжений и токов.

Преобразователи угла поворота в частоту. Устройства такого типа используются для преобразования угла поворота подвижной системы первичного измерительного прибора в частоту с помощью емкостных и реостатных датчиков. Вариант схемы с конденсатором переменной емкости С изображен на рис. 7.4, а, где ПИ — первичный измеритель­ ный прибор, а Г — RC — генератор.

Принцип работы этого преобразователя заключается в том, что пе­ ременная емкость, подключенная к схеме генератора Г, дает возмож­ ность изменять его частоту f при изменении угла поворота подвижной системы первичного измерителя а в соответствии с изменением кон­

176

тролируемого параметра А. Так как для телеизмерений отводится чаще всего низкочастотный диапазон, то габариты конденсатора переменной емкости получаются достаточно большими, что приводит к значитель­ ному увеличению тормозного момента, а это, в свою очередь, отрица­ тельно сказывается на точности преобразователя. Поэтому схему та­ кого типа можно использовать только с первичными измерительными приборами, обладающими большим крутящим моментом на оси по­ движной системы. Такими приборами, как правило, являются приборы для измерения неэлектрических величин.

Рис. 7.4. Схемы преобразователей угла поворота в частоту с непосредствен' нон связью (а) и разгруженным первичным измерительным прибором (б).

Чтобы исключить обратное влияние емкости на первичный измери­ тельный прибор, используют преобразователь, схема которого изо­ бражена на рис. 7.4, б. Этот преобразователь состоит из двух трансфор­ маторных датчиков Tpj и Тр2, нуль-индикатора НИ и двигателя Дв, связанного через редуктор Ред с конденсатором настройки Си с рамкой трансформаторного датчика Тр2. Первичный измерительный прибор ПИ соединен с рамкой трансформаторного датчика Тр2. Напряжение Uu снимаемое с датчика Тр^ пропорционально углу поворота его рам­ ки а и, следовательно, первичной измеряемой величине А.

Напряжение t/2, снимаемое с датчика Тр2, пропорционально углу поворота ротора конденсатора настройки С и направлено встречно Ux. Если і/х = U2, то напряжение АU, являющееся сигналом рассо­ гласования, равно нулю, и генератор Г выдает определенную частоту /. При изменении контролируемого параметра А угол поворота рамки ПИ также изменится и напряжение ІІ1 станет больше или меньше на­ пряжения и г. На вход нуль-индикатора HEI будет подан сигнал рас­ согласования ДІІ1, фаза которого зависит от направления изменения измеряемого параметра, а величина — от степени его отклонения от­ носительно первоначального значения. Усиленный сигнал с нуль-ин­ дикатора поступает на двигатель, который через радуктор Ред повора­ чивает ротор конденсатора С и трансформаторного датчика Тр2. Дви­ гатель отрабатывает до момента, когда Ux s U2 и АД s 0. Подвиж­ ные пластины конденсатора С при этом займут другое положение и ге­ нератор Г выдаст частоту, соответствующую новому значению измеряе­ мого параметра.

Экспоненциальный преобразователь. Этот преобразователь пред­ ставляет собой мост (рис. 7.5, а), в одной ветви которого включены

177

резисторы Rxи R2, а в другой — резистор R, нагрузка Raи конденсатор С. В диагональ моста включен диод Д. Принцип работы экспоненциаль­ ного преобразователя заключается в сравнении эталонного напряже­ ния Uc, формируемого при заряде конденсатора С, с напряжением UR, снимаемым с реостатного датчика R2, движок которого связан с под­ вижной системой первичного измерительного прибора ПИ. Для нор­ мальной работы преобразователя период работы ключа Кл должен быть больше времени, необходимого для зарядки конденсатора С до значе­ ния Uc = Uдмакс и разрядки его до нуля.

Рис. 7.5. Схема (а) н диаграмма работы (б) экспоненциального преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом. При замыкании ключа Кл с датчика R2 снимается напряжение (Уд, величина которого зависит от положения движка на потенциометре, т. е. от значения контролируемого параметра. Зто напряжение приложено полюсом к катоду диода Д и поэтому диод будет закрыт. Одновременно (с момента

Напряжение на конденсаторе увеличивается по экспоненциально­ му закону:

где X — (R + RH) С — постоянная времени заряда конденсатора.

В момент времени іх (рис. 7.5, б), когда напряжение на конденсаторе ІІСдостигнет значения 0 А, диод Д отпирается и точки 1,2 моста ста­ новятся точками равных потенциалов. Напряжение на конденсаторе увеличиваться дальше не может и остается постоянным.

Время заряда конденсатора tc, в течение которого напряжение на нем становится равным напряжению, снимаемому с датчика Д2, не зависит от величины питающего напряжения Нвх, а определяется лишь положением движка потенциометра (при постоянных параметрах схемы):

178

В момент времени Іг (рис. 7.5, б) ключ Кл размыкается и конден­ сатор С разряжается через диод Д, участок резистора АR2 и нагруз­ ку Ru.

За период работы Т ключа с выхода схемы снимаются два импульса (рис. 7.5, б): первый (положительной полярности) имеет длительность tc, а длительность второго (отрицательной полярности) определяется постоянной времени заряда конденсатора т.

Учитывая внутреннее сопротивление генератора импульсов, пи­ тающего схему преобразователя, для случая, когда движок потенцио­

Из последнего выражения видно, что величина Rt оказывает влия­ ние на работу преобразователя. Относительную погрешность преобра­ зования при изменении R t на величину АR t можно определить по фор­ муле

На точность работы преобразователя оказывают влияние и парамет­ ры диода. Практически можно построить схемы с периодом переклю­ чения импульсов Т от нескольких микросекунд до десятков секунд и погрешностью преобразования б = 0,1 -4- 0,5% при длительности заднего фронта, составляющей 2 —8% от длительности импульса.

В описанном варианте преобразователя схема работает как широт­ но-импульсный модулятор. Подключение к выходу устройства диф­ ференцирующей цепочки дает возможность использовать преобразо­ ватель в качестве время-импульсного.

7.3.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

■Преобразователь мощности. Это устройство используется для пре­ образования активной или реактивной мощности в пропорциональную величину постоянного тока или напряжения и относится к классу ста­ тических преобразователей, так как в его конструкции отсутствуют ка­ кие-либо подвижные части. Преобразователь (рис. 7.6) состоит из вспо­ могательного трансформатора напряжения ВТН, вспомогательного трансформатора тока ВТТ, квадраторов Кщ и Кв2, выпрямителя В и ре­ зисторов Ru R2. В качестве квадратичных элементов в схеме могут быть использованы электронные лампы, полупроводниковые вентиль­ ные элементы, дроссели с насыщенными сердечниками, термопары и

т. д. С помощью резистора Rx обеспечивается сдвиг фаз между током и напряжением такой же, как и сдвиг фаз в измеряемой цепи.

179