книги из ГПНТБ / Егоров С.В. Основы автоматики и телемеханики. Конспект лекций учеб. пособие

д р у г их величин .

П о типу

выходной величины

у они делятся

на параметрические

(y=R,

L , С) и генераторные

(y=U,

I).

П а р а м е т р и ч е с к и е

датчики

т р е б у ю т источник

питания,

в то

время как генераторные сами вырабатывают

электрическую

энергию .

О с н о в н о й х а р а к т е р и с т и к о й датчика является его

чувст­

характеристике,

если эта

х а р а к т е р и с т и к а нечетна

и

прохо -

у

дит

через

начало

координат

(рис. 2-1,6),

как

S c

=

— —

dy

статическая

чувствительность,

л и б о

как 5 Д =

— динами ­

ческая

чувствительность.

П р и

выборе

датчика

необходимо,

чтобы в рабочем д и а п а з о н е изменения х величина

5 Д

была

отлична от нуля. Так, датчик

с х а р а к т е р и с т и к о й

т и п а

насы­

щ е н и я

(рис. 2-1,6)

не

годится

для

и з м е р е н и я

величин

х>х0,

где

5 Д = 0 .

Д р у г и е х а р а к т е р и с т и к и

датчика:

1) величина сигнала на выходе при нулевом входе, кото­

рая х а р а к т е р и з у е т шумы

датчика

и

помехи

( н а в о д к и ) ;

2) р а з р е ш а ю щ а я

способность,

которая

равна

наимень­

шему

и з м е н е н и ю

х,

приводящему

к и з м е н е н и ю

у

(для дат­

чиков,

д а ю щ и х квантованный

по

у р о в н ю сигнал

у);

3) мощность, момент или усилие, о т б и р а е м ы е от изме ­

ряемой

величины .

Л у ч ш и й

датчик тот, у

которого

величины

п. 1, 2, 3

мини ­

мальны.

П р и

к о н с т р у и р о в а н и и

и

расчете

систем

управления

, необходимо

учитывать т а к ж е

динамические

характеристики

датчиков

(инерционность,

з а п а з д ы в а н и е ) .

В

большинстве

случаев

стремятся работать

с

б е з ы н е р ц и о н н ы м и

датчиками,

однако

в н е к о т о р ы х

случаях

д и н а м и ч е с к и е

х а р а к т е р и с т и к и

системы:

ф и л ь т р а ц и я

помех

и н е р ц и о н н ы м и

датчиками,

п о л у ч е н и е

сигналов, п р о п о р ц и о н а л ь н ы х скорости

изменения

величины

х

(в

скоростных

т е р м о п а р а х

и тахогенераторах)

и т. д. Рассмотрим н а и б о л е е

ш и р о к о

п р и м е н я е м ы е в

авто­

матике

датчики .

§ 2-1. Р е з и с т о р н ы е

датчики

Р е з и с т о р н ы е

датчики

р а б о т а ю т

в цепях

постоянного и

переменного

тока и делятся

на:

1)

потенциожетрические

( р е о с т а т н ы е ) ,

с л у ж а щ и е

в ос­

2)

угольные — для

измерения

п е р е м е щ е н и й

и давлений;

3)

тензометрические

— для

измерения

д е ф о р м а ц и й и

вибраций твердых тел;

4)

термосопротивления

— для

измерения

температуры,

скорости потока газа,

р а з р е ж е н н о с т и

газа

и т.

п.

В

потенциометрических

датчиках,

к о т о р ы е

могут быть

двух

типов — однотактные (рис. 2-2,а)

и

двухтактные

(рис. 2-2,6),

измеряемое

п е р е м е щ е н и е

п р е о б р а з у е т с я

в

п е р е м е щ е н и е

д в и ж к а

потенциометра,

выходное

н а п р я ж е н и е

которого

х а р а к т е р и з у е т

и з м е р я е м у ю

величину. В

автоматике

п р и м е н я ю т

линейные

потенциометры,

с л и н е й н о й

зависи ­

мостью

выходного

н а п р я ж е н и я от

перемещения,

и

профи­

лированные,

с н е л и н е й н о й

зависимостью,

что

н е о б х о д и м о

в н е к о т о р ы х

случаях

( к о р р е к ц и я

н е л и н е й н о с т и

тракта

измерения и др . ) .

П р и

р а б о т е

датчика

на

к о н е ч н у ю

нагрузку

воз­

н и к а ю т н е ж е л а т е л ь н ы е

явления:

и с к а ж е н и е

его

статиче­

ской

характеристики,

в о з р а с т а ю щ е е

с

у м е н ь ш е н и е м

сопро ­

тивления

нагрузки,

п о я в л е н и е

и н е р ц и о н н о с т и

п р и реактив-"

ной

нагрузке .

П р о с т е й ш и й

способ

л и к в и д а ц и и

влияния

нагрузки

на

статическую

х а р а к т е р и с т и к у

датчика

состоит

в выборе

RN^-10R,

и

где

ДА,

# — с о о т в е т с т в е н н о

сопротив ­

л е н и е нагрузки

с о п р о т и в л е н и е

датчика.

Н а п р а к т и к е

это

обычно

достигается

при

подаче

выходного

н а п р я ж е н и я

датчика н а

сетку

э л е к т р о н н о г о

усилителя .

Для

у к а з а н н ы х

датчиков

п р и м е н я ю т проволочные

потен ­

циометры,

поскольку

н е п р о в о л о ч н ы е

(пленочные

и

др.)

и м е ю т

м а л у ю

точность

и

надежность . О д н а к о

т а к и е

дат­

чики

и м е ю т

ступенчатую •

статическую

х а р а к т е р и с т и к у

(рис.

2-2,в),

о б у с л о в л е н н у ю

тем,

что

пр и п е р е м е щ е н и и

п о д в и ж н о й

контакт

последовательно

п е р е х о д и т

с

одного

витка

на

другой. Р а з р е ш а ю щ а я

способность

датчика

в

этом

случае

равна

Ах[ =

l/'w,

где I, w — д л и н а и число витков

потенциометра .

П р и п и т а н и и

датчиков

п е р е м е н н ы м

т о к о м

частота

п и т а ю щ е г о

н а п р я ж е н и я

выбирается из

условия

с о о > ( 10^20) com,

(2-1)

где со т

— максимальная

частота

и з м е н е н и я

входной

пере ­

м е н н о й х.

С е р и й н о изготавливаемые

о д н о о б о р о т н ы е

п о т е н ц и о м е т -

р и ч е с к и е

датчики

делятся

п о

конструктивным п о г р е ш н о ­

стям,

о б у с л о в л е н н ы м и

т е х н о л о г и е й

производства,

на

тр и

класса

(табл.

2-1).

Таблица 2-1

Допустимое

отклонение

Класс

по сопротивлению,

%

по линейности,

град

I

± 5

± 0 , 2 5

I I

± 5

± 0 , 5

I I I

± 1 0

•

± 1

Д о с т о и н с т в а м и п о т е н ц и о м е т р и ч е с к и х

датчиков

являются

малый

вес и

габариты,

п р о с т о т а

к о н с т р у к ц и и ,

возможность

р а б о т ы

в ц е п я х

п о с т о я н н о г о

и п е р е м е н н о г о

тока .

Н е д о ­

статки:

низкая

н а д е ж н о с т ь

из-за трущегося контакта,

ограниченная

р а з р е ш а ю щ а я

способность, в л и я н и е

нагрузки

на х а р а к т е р и с т и к и .

Угольные

датчики

н а и б о л е е

ш и р о к о п р и м е н я ю т с я

в

регу­

ляторах

н а п р я ж е н и я

и

тока,

в

частности

в

генераторах,

у с т а н о в л е н н ы х на

ж е л е з н о д о р о ж н ы х

вагонах.

И х

действие

о с н о в а н о

на

и з м е н е н и и

к о н т а к т н о г о

с о п р о т и в л е н и я

уголь­

н ы х

пластин

пр и и з м е н е н и и

давления

на

них . Угольные

датчики

конструктивно в ы п о л н я ю т

в

виде

столбиков,

1 -т-2 мм каждая . Угольный столбик

заключается

в

специаль ­

н у ю о б о й м у (рис. 2-3,а). Т и п и ч н ы й

вид статической харак ­

т е р и с т и к и такого датчика п о к а з а н н а рис . 2-3,6.

Н а

рис . 2.-3,в

п о к а з а на

схема регулятора н а п р я ж е н и я генератора, которая

р а б о т а е т

с л е д у ю щ и м образом .

Рис. 2-3.

УГОЛЬНЫЙ датчик и схема его включения

Н а п р я ж е н и е

Ur

на

ш и н а х генератора

изменяется

под

действием

и з м е н е н и й

с о п р о т и в л е н и я Яж

нагрузки,

н о с я щ и х

случайный

характер

( п о д к л ю ч е н и е

п о т р е б и т е л е й

электро ­

э н е р г и и ) .

И з м е н е н и я

UT

в ы з ы в а ю т

и з м е н е н и е

т о к а

.соле­

ноида

и

приводят

к п е р е м е щ е н и ю

сердечника

соленоида,

связанного

с

рычагом.

П о с л е д н и й

другим

своим

к о н ц о м

воздействует на

угольный столбик,

что

приводит к

регули ­

р о в а н и ю

т о к а

1В

в о з б у ж д е н и я

генератора .

Схема

настраи ­

вается

первоначально,

таким

образом,

с п о м о щ ь ю

регули ­

ровки

п р у ж и н ы Пр,

связанной

с

рычагом, ч т о б ы

п р и

номи ­

нальной

н а г р у з к е

н а п р я ж е н и е

UT

было

номинальным .

Термосопротивления.

И х

действие,

о с н о в а н о

н а

измене ­

нии

с о п р о т и в л е н и я

п р о в о д н и к а

или

п о л у п р о в о д н и к а

п р и

и з м е н е н и и

его

температуры .

Р а з л и ч а ю т

два

п р и м е н е н и я т е р м о с о п р о т и в л е н и я

( Т С ) :

—

т е р м о м е т р ы сопротивления,

— Т С ,

нагреваемые

током.

В

последнем

случае

и з м е н е н и е

т е м п е р а т у р ы

Т С

опре ­

деляется

условиями

теплоотдачи: скоростью п о т о к а

обдува

(в

анемометрах),

р а з р е ж е н н о с т ь ю

(в

в а к у у м м е т р а х ) ,

влаж ­

н о с т ь ю о к р у ж а ю щ е й

среды

и т. п.

В н а с т о я щ е е

время

н а и б о л е е

ш и р о к о

п р и м е н я ю т

терми -

сторы

(непроволочные

Т С ) ,

изготовленные

на

основе

оксидов,

сульфидов

и

карбидов

металлов .

С о п р о т и в л е н и е

таких

термисторов

зависит

от, т е м п е р а т у р ы

п о

з а к о н у

где

Т ~~ температура

R=R0.eBT~\

В — постоянная .

Д о с т о -

(по

К е л ь в и н у ) ,

и н с т в ом термисторов является

большой Т К С

(температур ­

ный

к о э ф ф и ц и е н т

с о п р о т и в л е н и я ) , д о с т и г а ю щ и й

изменения

с о п р о т и в л е н и я

на

3%

от RQ на

1°С,

возможность получе ­

ния

высокоомных

датчиков .

§

2-2.

И н д у к т и в н ы е датчики

И н д у к т и в н ы е

датчики с л у ж а т

для

п р е о б р а з о в а н и я

угло­

вых

и л и л и н е й н ы х

п е р е м е щ е н и й

в

напряжение"

перемен ­

ного

тока .

П о

с р а в н е н и ю

с

п о т е н ц и о м е т р и ч е с к и м и

о н и

и м е ю т то

достоинство,

что

не

и м е ю т

трущихся

контактов .

Э т о

п о в ы ш а е т

и х

надежность,

и

т а к и е

датчики

практически

не и м е ю т износа .

1

Д е й с т в и е

и х

о с н о в а н о

н а

и з м е н е н и и индуктивности

к а т у ш к и

с

ф е р р о м а г н и т н ы м

сердечником

(собственно

и н д у к т и в н ы е

датчики)

или

в з а и м о и н д у к т и в н о с т и

катушек

( т р а н с ф о р м а т о р н ы е

датчики)

при

п е р е м е щ е н и и

сердечника.

П р о с т е й ш и й

и н д у к т и в н ы й

датчик

(рис. 2-4,а,

6)

пред-

&—==-—&У

"

а)

Рис.

2-4. Индуктивные датчики и их характеристики

ставляет с о б о й катушку, р а з м е щ е н н у ю н а

ф е р р о м а г н и т н о м

сердечнике, и

вкХюченную в

цепь п е р е м е н н о г о

тока, после­

довательно

с

с о п р о т и в л е н и е м

Z H нагрузки

(рис.

2-4,а). Д е й ­

с т в у ю щ е е

з н а ч е н и е выходного н а п р я ж е н и я

равно

ч где R,

L

— активное

и

и н д у к т и в н о е

с о п р о т и в л е н и я

катушки

RB,

XR

датчика;

— активное

и

р е а к т и в н о е

с о п р о т и в л е н и я

нагрузки .

П о с к о л ь к у

для

к а т у ш к и

(рис.

2-4,а), п р е н е б р е г а я

влия ­

нием магнитного . сопротивления

сердечника, м о ж н о

запи ­

сать

где

w — число

витков

катушки;

5 — площадь поперечного

сечения сердечника;

Но — магнитная

п р о н и ц а е м о с т ь

воздуха,

то

для

a0L^

R +

Ru

U

2UoR*8

_

(2-2)

co0ffi)ap.0S

Н а п р а к т и к е

из-за

того,

что

L 0

<

°°

(рис. 2-4,в),

статическая

характеристика

датчика

(рис.

2-4,г)

н е

является

л и н е й н о й :

при

6 =

0

имеется

остаточное

н а п р я ж е н и е ,

о б у с л о в л е н н о е

отличным

от

нуля

магнитным

с о п р о т и в л е н и е м

сердечника,

а при больших б имеется насыщение, о б у с л о в л е н н о е

воз ­

растанием

потоков

рассеяния .

П о э т о м у з о н а

л и н е й н о с т и

такого

датчика

имеет

обычно

н е б о л ь ш у ю

величину,

п р и

этом

чувствительность датчика

в э т о й

з о н е

равна (см. 2-2)

Как

и

для - потенциометрических

датчиков,

частота

о>о

пи­

т а ю щ е г о н а п р я ж е н и я

U0

выбирается

п о с о о т н о ш е н и ю

(2-1),

поэтому

для

и н д у к т и в н ы х

датчиков

п р и м е н я ю т

и с т о ч н и к и

н а п р я ж е н и я п о в ы ш е н н о й частоты

(400,

500,

1000 гц),

что

позволяет

т а к ж е

уменьшить

габариты

датчика.

Н а

п р а к т и к е

для

повышения

т о ч н о с т и

(уменьшения

п о г р е ш н о с т е й

от

.колебаний

т е м п е р а т у р ы

и п и т а ю щ е г о

н а п р я ж е н и я ) ,

увеличения з о н ы

л и н е й н о с т и датчика,

а

так­

ж е для

получения

двухтактной

статической

х а р а к т е р и с т и к и

(рис.

2-5,6)

п р и м е н я ю т дифференциальные

и н д у к т и в н ы е

когда

w одну

диагональ

моста

подается

п и т а ю щ е е

напря ­

ж е н и е ,

а

в

другую в к л ю ч е н о

с о п р о т и в л е н и е

нагрузки .

Схема

настраивается таким образом, чтобы при х=0

сер­

дечник

занимал среднее

п о л о ж е н и е .

В

этом случае

м о с т .

сбалансирован .

П р и и з м е н е н и и

знака

х

изменяется н а 180°

ф а з а н а п р я ж е н и я U.

Н е д о с т а т о к

такого

датчика — н а л и ч и е

гальванической

связи

м е ж д у

ц е п ь ю нагрузки

и ц е п ь ю

п и т а н и я — устра­

няется

в

т р а н с ф о р м а т о р н ы х датчиках .

Н а

рис.

2-6

приве -