книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

преобразовать с помощью известных промежуточных измерительных преобразователей в электрическую величину. Так, например, не существует простейших преобразователен, с помощью которых ли­ нейное ускорение, давление в газовой среде, сравнительно малые угловые скорости п другие величины могут преобразовываться непо­ средственно в электрические сигналы. Для этого необходимо пред­ варительно ускорение или давление в газовой среде преобразовать, например, в линейное перемещение, а угловую скорость — в угловое перемещение. Для преобразования линейного и углового перемеще­ ния в электрические сигналы используются многие из рассмотренных выше преобразователей. Наиболее часто в таких случаях применя­ ются измерительные преобразователи потенциометрического типа.

Преобразователи для измерения давления. Для измерения дав­ ления газов и жидкостей применяются устройства с двойным пре-

Рис. 2-21. Преобразователи для измерения давления.

образованием. Чувствительными элементами таких преобразователей служат упругие элементы (рис. 2-21).

С помощью указанных на рис. 2-21 элементов измеряемое дав­ ление преобразуется в перемещение. Вторичное преобразование осу­ ществляется обычно потенциометрическим преобразователем, но мо­

Трубка Бурдона представляет собой тонкую полую трубку эл­ липтического, овального или какого-нибудь другого вытянутого се­ чения, изогнутую по окружности и запаянную на одном конце. З а­ паянный конец трубки связывается с подвижным контактом потен­ циометра. Иногда чувствительный элемент выполняется в виде полой витой трубкѣ .

С увеличением давления внутри трубки она стремится выпря­ миться (раскрутиться), при этом ее запаянный конец вместе с п'од-

70

вижиым контактом потенциометра перемещается. Величина этого

на, его величина определяется материалом, размерами и конфигура­

Чувствительность преобразования преобразователя давления, со­ стоящего из трубки Бурдона и потенциометрического промежуточ­ ного преобразователя, определяется выражением

ной 0,05—0,3 мм* диаметром 30—70 мм, закрепленную по наружному

затем, например, в перемещение подвижного контакта потенцио­ метра.

Для увеличения перемещения чувствительного элемента две мем­ браны соединяются (свариваются по наружному контуру) в узел, называемый мембранной коробкой. Мембранные коробки применяют­ ся для измерения разности давлений. Если внутрь коробки подается давление, то такая коробка называется манометрической. Если же из внутренней полости откачен воздух, то в этом случае запаянная ко> робка называется анероидной.

Для получения больших перемещений создается блок мембран­ ных коробок в виде сильфона.

Сильфон представляет собой тонкостенный металлический сосуд цилиндрической формы со складчатой (волнообразной) поверхно­ стью, изготовленный из упругого материала. Он способен под дей­ ствием сравнительно небольшого осевого усилия или же разности давлений между внутренней областью (для этого случая изолирован­ ной от внешней среды) и окружающей средой давать заметное упругое удлинение или сжатие в зависимости от направления ре­ зультирующего усилия.

Величина удлинения (сжатия) сильфона пропорциональна дей­

где £с — коэффициент, характеризующий упругость сильфона, его величина зависит от материала, из которого изготовлен сильфон, и конструкции. Чувствительность сильфона численно равна коэффи­ циенту его упругости | с.

71

Измерительные преобразователи с трубкой Бурдона использу­ ются, как правило, для измерения сравнительно высоких давлений, а сильфонные преобразователи — для более точных измерений не­ больших давлений.

Преобразователи давления с промежуточными преобразователя-, ми потенциометрического типа имеют статическую погрешность 0,5— 3,0%. Однако при измерении быстроменяющнхся давлений (пуль­ саций) вносят большие погрешности в результаты измерений.' По­ следнее объясняется тем, что потенциометрические преобразователи давления обладают малой полосой пропускания за счет большой инерционности всего тракта преобразования.

В последнее время промышленностью разработаны малоинер­ ционные преобразователи давления. В этих преобразователях в каче­ стве чувствительного элемента обычно используется мембрана, а вместо потенциометра применяются пьезоэлектрические пластины, проволочные тензометрические и индуктивные преобразователи. Эти преобразователи имеют более высокие погрешности (около 10%), но обладают хорошими динамическими характеристиками.

Биметаллический преобразователь для измерения температуры. Чувствительным элементом в этом преобразователе служит биметал­ лическая пружина, спаянная из двух плоских пластинок. Одна из этих пластинок изготовляется из металла с большим температурным коэффициентом линейного расширения и называется термоактивной пластинкой. Обычно для изготовления термоактивных пластин ж ис­ пользуется немагнитная сталь (25% Ni и 75% Fe) с температурным

коэффициентом линейного расширения, равным 18 - 10~ѳ 1/°С. Другая пластинка делается из материала со значительно более низким температурным коэффици­ ентом линейного 'расширения, например

жающей среды. Весьма часто перемещение свободного конца биме­ таллического элемента используется для замыкания или размыкания

контактов, когда температура окружающей среды достигает опреде­ ленной величины.

Биметаллические преобразователи широко применяются для из­ мерения температур и в качестве элементов устройств регулирования температурных режимов различных объектов. Они обладают значи­ тельной тепловой инерцией. Постоянная времени у них может до­ стигать нескольких десятков секунд.

Гироскопические преобразователи для измерения углов поворота и угловых скоростей. В качестве чувствительного элемента этого типа преобразователя обычно служит гироскоп. Гироскоп представ­ ляет собой механическое устройство, состоящее из быстровращающе-

П

1'Ося ротора it колец Карданного гіодвеса. Карданный подвес дае? возможность ротору свободно вращаться относительно двух других осей.

Быстровращающийся ротор обладает большой инерцией и ока­ зывает противодействие попыткам изменить положение оси его вра­ щения. Гироскопическая инерция является одним из основных свойств гироскопа. Оиа тем выше, чем больше кинематический мо­ мент ротора, равный произведению осевого момента инерции ротора на угловую скорость его вращения.

Свойство гироскопической инерции (устойчивости) широко ис­ пользуется в системах стабилизации и управления движением ко­ раблей, самолетов, ракет и других движущихся объектов. Гироскоп используется также в качестве чувствительного элемента преобра­ зователей, посредством которых измеряются углы поворота в про­ странстве движущегося объекта. Ротор гироскопа, сохраняя неиз-

Рис. 2-23. Гироскопические преобразователи.

а —для измерения углов поворота; б — для измерения угловой скорости.

меиным направление оси своего вращения, позволяет отсчитывать углы поворота объекта, на котором установлен гироскоп, от этого неизменного направления. Ориентируя нужным образом гироскоп при его установке на объекте, можно измерять необходимые углы поворота этого объекта.

На рис. 2-23,а представлена схема гироскопического преобразо­ вателя для измерения угла поворота движущегося объекта. На кор­ пусе гироскопа укрепляется потенциометр, подвижный контакт ко­ торого связывается с внешней рамкой карданного подвеса гироскопа. Если преобразователь укрепить на корпусе объекта с учетом положе­ ния его продольной оси так, как это показано на рис. 2-23,а, то при изменении курса объекта (положения продольной оси подвижного объекта) на выходе потенциометра появится напряжение, пропор­ циональное углу отклонения продольной оси. С помощью гироскопа может быть измерена угловая скорость вращения объекта, на кото­ ром установлен гироскоп.

Простейшим гироскопическим преобразователем для измерения

а не две, как в гироскопе с тремя степенями свободы для измерения углов поворота.

73

Принцип действия преобразователей для измерения угловой ско­ рости основан на измерении величины гироскопического момента, возникающего в гироскопе при развороте его корпуса. Ротор / ги­ роскопа (рис. 2-23,б) с большой угловой скоростью вращается вокруг оси X в подшипниках рамки 2. Рамка может поворачиваться вокруг оси Y в подшипниках 3 корпуса гироскопа. Рамка 2 центрируется пружинами 4 и связана с воздушным (жидкостным) демпфером. Кроме того, ось рамки соединена с подвижным контактом потенцио­ метра. Корпус потенциометра скреплен с корпусом прибора. Если требуется измерить скорость вращения вокруг оси Z, то гироскоп располагается так, как это показано на рис. 2-23,6. Если же нужно измерить угловую скорость объекта вокруг некоторого другого на­ правления, то гироскоп нужно установить на этом объекте так, что­ бы ось Z гироскопа, перпендикулярная к плоскости XOY, заключаю­ щей оси X ротора и Y рамки, совпадала с направлением, вокруг которого происходит измеряемое вращение. Свойство двухстепенного гироскопа таково, что при вращении его корпуса вокруг оси Z воз­ никает противодействующий этому вращению гироскопический мо­ мент Мѵ, пропорциональный скорости поворота. Вектор этого момен­ та направлен вдоль оси Y и стремится повернуть рамку вокруг этой оси.

Гироскопический момент Му уравновешивается пружинами 4, причем угол отклонения рамки 2, а следовательно, и подвижного контакта потенциометра зависит от величины и направления скоро­ сти поворота корпуса. С выхода потенциометра, таким образом, сни­ мается напряжение, знак и величина которого будут соответство­ вать направлению и скорости вращения объекта. Наличие инерцион­ ной массы и упругих пружин в «измерителе скорости приводит к то­ му, что переход от одного состояния измерителя к другому при из­ мерении скорости происходит с наличием колебательного процесса, увеличивающего время установления (постоянной времени) и вызы­ вающего значительные динамические погрешности. Для устранения колебательного процесса в переходном режиме в гироскопическом измерителе скорости имеется демпфер, значительно уменьшающий время переходного процесса.

Преобразователи для измерения ускорений (акселерометры). С помощью акселерометра линейное ускорение преобразуется в элек­ трическое напряжение.

Чувствительным элементом акселерометра (рис. 2-24,а) является массивное тело, свободно насаженное на ось. Движение тела вдоль

в сторону, обратную направлению ускорения. Ускорение, таким об­ разом, преобразуется в линейное перемещение. При смещении мас­ сивного тела с ним вместе перемещается и движок потенциометра. На выходе потенциометра образуется напряжение, величина и поляр­ ность которого соответствуют величине и направлению ускорения.

Величина инерционной силы, действующей на пружины при наличии ускорения, может быть найдена из известного выражения

Под действием инерционной силы пружины акселерометра будут деформироваться (одна сжиматься, другая растягиваться). Величина

74

Потенциометр

\ —

Направление ускорения корпуса преобразооателр

а)

Рис. 2-24. Акселерометры.

а — потенциометрический; б — пьезоэлектрический.

смещения массивного тела при этом составит:

рактеристику чувствительного элемента акселерометра, справедливую для установившегося процесса при a=const.

Величина выходного напряжения акселерометра, характеризую­ щая измеряемое ускорение, определится из выражения

При изменении величины ускорения в чувствительном элементе акселерометра происходит переходный процесс, во время которого нарушается пропорциональность связи между действующим на входе ускорением и выходным смещением инерционной массы.

Зависимость выходной величины от входной в динамическом режиме находится из решения дифференциального уравнения, со­ ставленного для механической колебательной системы, которую пред­ ставляет собой чувствительный элемент акселерометра.

Для улучшения динамических характеристик акселерометра и, в частности, для устранения автоколебаний, которые могут возник­ нуть в его чувствительном элементе в результате взаимодействия сил упругости и сил инерции, применяются воздушные или жидкост­ ные (масляные) демпферы.

Для измерения вибрационных ускорений в настоящее время широ­ кое применение нашли пьезоэлектрические акселерометры (рис. 2-24,6). Пьезоэлемеит 2 состоит из двух кварцевых пластин, разделенных латунной фольгой 4. Основание 1, выполненное из титана, пьезоэле­ мент 2 и сейсмическая масса 3 прочно склеены между собой специ­

75

альным клеем. Сигнал пьезоэлемента снимается с латунной фольги 4 по кабелю 5. Акселерометр закрывается крышкой 6, которая навин­

чивается на основание. Масса преобразователя 35 г, рабочий диа­ пазон 1— 150 місек2.

Акселерометры широко используются в так называемых инерци­ альных системах для измерения скорости и пройденного пути движу­ щихся объектов. В таких системах акселерометр устанавливается на движущемся объекте так, чтобы его ось, по которой смещается массивное тело, была расположена в направлении, в котором изме­ ряются параметры движения объекта, например в продольном и поперечном направлениях.

Известно, что между ускорениями, скоростями и координатами движущихся тел существует определенная зависимость, заключаю­ щаяся в том, что скорость есть интеграл от ускорения, а пройден­ ный путь, характеризующий координаты объекта, есть интеграл от скорости.

Поэтому скорость движения объекта в некотором направлении может быть определена интегрированием выходного напряжения акселерометра, установленного указанным выше образом по отноше­ нию к направлению движения:

С помощью вторичного интегрирования может быть определен путь, пройденный объектом за некоторое время t (время интегриро­ вания) :

(2-40)

оо о

Если на движущемся объекте установить два акселерометра, оси которых будут параллельны осям измерительной системы коор­ динат (устанавливаются на стабилизированной платформе), то с по­ мощью такой системы при двойном интегрировании выходных на­ пряжений акселерометров могут измеряться координаты движущих­ ся объектов.

2-7. ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

В последние годы в телеметрии находят все большее при­ менение цифровые преобразователи для измерения неэлектрических величин. Цифровой преобразователь — это устройство, преобразую­ щее непрерывную неэлектрическую величину в цифровой (дискрет­ ный) электрический сигнал. Способ представления цифр электриче­ скими сигналами называется системой счисления, а электрический сигнал, представляющий число, — кодом числа.

Для выражения количества информации в цифровых измери­ тельных преобразователях используются двоичная, четвертичная, восьмеричная, десятичная и шестнадцатиричная системы счисления.

76

Значения чисел в этих системах определяются видом и положением (позиций) цифровых знаков, изображающих число. Поэтому часто такие системы счисления называют позиционными.

Любое число А в позиционной системе счисления может быть выражено следующим соотношением:

ла до q— 1, показывающие, сколько единиц t'-ro разряда содержится в числе.

Системы счисления отличаются друг от друга своими основа­ ниями, показывающими, во сколько раз единица последующего раз­ ряда больше единицы предыдущего разряда.

Наибольшее распространение из позиционных систем счисления имеет десятичная система, в которой каждое число представляется с помощью десяти различных цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Значение цифры в записи числа определяется разрядом, в котором она находится. Выражение (2-41) для числа в десятичной системе счисления запишется в виде

где а,- — коэффициенты, которые могут принимать значения от еди­ ницы до девяти.

При реализации цифровых устройств с десятичной системой счисления требуются сложные элементы с десятью устойчивыми состояниями, поэтому десятичная система используется, главным об­ разом, в цифровых индикаторах и регистрирующих устройствах (экспресс-информация). Для изображения числа в десятичной си­ стеме счисления требуется, меньшее количество разрядов, чем в дво­

Наиболее практичной в реализации для цифровых устройств оказывается двоичная система счисления, в которой всякое число можно представить с помощью только двух цифр 0 и 1.

Выражение (2-41) для целого числа в двоичной системе счисле­ ния примет следующий вид:

i=i

где а, — коэффициенты, которые могут принимать значение 0 или 1. Важнейшим преимуществом двоичной системы счисления явля­ ется то, что ома позволяет представлять любое число при помощи элементов с двумя устойчивыми состояниями. Для представления каждого разряда числа в двоичной системе счисления используются физические элементы, работающие по принципу «да», «нет», что

77

значительно упрощает конструкцию преобразующих, арифметических и запоминающих устройств по сравнению со случаями использования систем счисления с основанием больше двух.

Недостатком двоичной системы счисления является необходи­

в любой другой позиционной системе счисления с целым основанием. Однако двоичная система счисления получила наибольшее распро­ странение.

Любое число в двоичной системе счисления может быть пред­ ставлено в последовательном или параллельном коде. В последова­ тельном коде каждому разряду числа отводится свое место в по­ следовательности импульсов. При параллельном коде каждый разряд числа выводится на отдельный выход и все разряды считываются

сэтих выходов одновременно.

Врезультате работ цифрового преобразователя можно получить как последовательный двоичный код числа, соответствующего изме­ ряемой величине, так и параллельный.

Цифровой преобразователь, как и аналовый, состоит из чувст­ вительного элемента и промежуточного преобразователя неэлектри­ ческой величины в электрический сигнал. Последний обычно назы­ вают преобразователем аналог-код (АЦП). Очевидно, основное

отличие указанных преобразователей заключается в функциях про­ межуточного преобразователя.

В настоящее время широкое применение находят цифровые пре­ образователи для измерения угловых и линейных перемещений. По принципу действия их разделяют на преобразователи считывания и последовательного счета.

Впреобразователях считывания угловое или линейное переме­ щение (положение) чувствительного элемента преобразуется непо­ средственно в цифровой код.

Вкачестве АЦП могут использоваться контактные, фотоэлектри­ ческие, индуктивные и емкостные преобразователи. Наиболее часто используются контактные и фотоэлектрические преобразователи. Ос­ новными узлами контактного АЦП являются задающий и считываю­ щий элементы.

Задающий элемент непосредственно (механически) связан с чув­ ствительным элементом и имеет на себе определенный кодовый ри­ сунок, соответствующий всему диапазону изменения контролируемого перемещения.

При преобразовании угловых перемещений кодовый рисунок вы­

полняется на диске в виде концентрических окружностей или па поверхности барабана в виде кольцевых дорожек.

В преобразователях для измерения линейных перемещений ко­ довый рисунок может быть нанесен на пластинку или ленту, пере­ мещаемую вместе с объектом. На рис. 2-25 показан кодовый рисунок цифрового (двоичного) преобразователя для измерения линейных перемещений. Таким же он будет и у преобразователя для измерения угловых перемещений с задающим элементом барабанного типа при развертке поверхности барабана, на которой нанесен этот кодовый

рисунок.

Кодовый рисунок может быть выполнен в виде электропроводя­ щего покрытия (заштрихованные места на рис. 2-25) на непроводя­ щем материале, в виде прозрачных элементов на непрозрачном ма­

78

териале, а также в виде комбинации ферритовых и немагнитных элементов.

В зависимости от вида кодового рисунка в качестве считываю­ щих элементов используются токосъемные щетки Що, Щ\, Щг, Щз> Щі (рис. 2-25), фотоэлементы, магнитные головки и другие эле­ менты.

К кодовому рисунку, выполненному в виде электропроводящего слоя, с одной стороны подключается один полюс от источника на­ пряжения. При перемещении задающего элемента в направлении, указанном стрелкой, считывающие элементы — токосъемные щетки

Рис. 2-25. Элементы преобразователя для измерения механического перемещения в двоичном коде.

Що, Щ1, Щг, Щз, Щ4 , определяющие собой соответствующие разря­ ды двоичного кода (Що—2°, Щ і—21, Щг—22 ... , Щ ы-і—2 " ” ‘ ) , вхо­ дят в электрический контакт с проводящим слоем кодового рисунка и замыкают соответствующие цепи.

При контакте каждой из N щеток с кодовым рисунком в счи­ тываемый элемент перемещения вносится единица соответствующего разряда двоичного кода.

Все значения разрядных коэффициентов числового эквивалента могут считываться одновременно за один такт или последовательно за несколько тактов, число которых равно числу разрядов N ис­ пользуемого двоичного кода.

Важнейшими параметрами преобразователей механических пере­ мещений в цифровой код являются время преобразования, разрешаю­ щая способность, погрешность преобразования и значность исполь­ зуемого двоичного кода. В преобразователях с параллельным счи­ тыванием время преобразования (tnѵ) равно времени считывания

Время считывания определяется инерционностью считывающих элементов, а также длительностью импульсов считывания. При ма­ лой инерционности считывающих элементов время считывания прак­ тически равно длительности считывающего импульса.

Разрешающая способность преобразователя определяется вели­ чиной входного преобразуемого перемещения, эквивалентной единице младшего разряда двоичного кода (уровню квантования). Предель­ ное значение разрешающей способности зависит от типа и конструк­ тивных особенностей кодового рисунка и считывающих элементов. Так, например, с уменьшением размера считывающего элемента по

79