4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

разнообразие нагрузок, воздействующих на систему.

По физической природе нагрузки можно разделить на следующие основные классы:

–механические нагрузки – вибрации, удар, постоянно действующие ускорения;

–климатические нагрузки – температура, влажность и влага, атмосферное давление, солнечная радиация, пыль, песок;

–электрические нагрузки – ток, напряжение, рассеиваемая мощность;

–радиоактивные нагрузки – поток нейтронов, гамма-лучей Механические нагрузки воздействуют на автоматические системы,

работающие на подвижных объектах: летательных аппаратах, электровозах, кораблях и др. Кроме того, механические нагрузки возникают при транспортировке, а также при эксплуатации оборудования.

Врезультате воздействия механических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер:

– смещение скользящих и вращающихся деталей и узлов;

– обрыв элементов;

– разрушение паек;

– разрушение нитей накала ламп;

– стук контактов;

– короткое замыкание близко расположенных проводников и деталей;

– размыкание нормально-замкнутых контактов;

– замыкание нормально-разомкнутых контактов;

– повреждение обмоток трансформаторов;

– разрушение элементов конструкции.

Климатические нагрузки, воздействующие на автоматические системы, зависят от географического места, в котором работает система, а также от условий работы системы (стационарные, полевые и т. д.).

Врезультате воздействия климатических нагрузок отказы автоматических систем имеют следующий характер:

– изменение значений электрических констант;

– размягчение изоляции;

– снижение эластичности изоляции;

– уменьшение поверхностного и объемного сопротивлений изоляции вплоть до коротких замыканий вследствие образования льда;

– замерзание движущихся частей;

– размыкание и замыкание контактов вследствие коробления;

– изменение прочности конструкционных элементов;

– потеря смазочных свойств, а, следовательно, чрезмерный механический износ подвижных частей вследствие попадания пыли и песка;

– короткие замыкания вследствие ухудшения изоляционных характеристик воздуха с изменением высоты.

Так же, как и в случае механических нагрузок, климатические нагрузки в отдельных местах системы могут в значительной степени отличаться от их значений в окружающей атмосфере.

21

Электрические нагрузки обычно определяются для элементов и реже для узлов. Величина электрической нагрузки зависит от принципиальной электрической схемы и конструкции системы. Электрическая нагрузка определяет режим работы элемента. Для большинства электрических элементов устанавливается номинальное значение электрической нагрузки.

Характерными отказами автоматических систем вследствие воздействия электрических нагрузок являются:

–обрыв элементов в результате перегорания;

–короткое замыкание элементов в результате пробоя.

Величина электрических нагрузок в значительной степени зависит от режима работы системы. В установившемся режиме работы действительное значение нагрузки близко к ее расчетному значению, всегда меньшему, чем номинальное значение, поэтому обычно коэффициент нагрузки меньше единицы. В переходных режимах величина нагрузки может в несколько раз превышать расчетное значение, тогда коэффициент нагрузки становится большим единицы. Это обстоятельство характерно для моментов времени включения и выключения автоматической системы. В этом случае обычно появляется большее число отказов, чем при работе в установившемся режиме.

1.4.5 Меры повышения надежности систем автоматики

При разработке схемы и конструкции должны также быть предусмотрены меры, позволяющие повысить надежность системы при эксплуатации, а именно: блочная конструкция системы, применение стандартных и унифицированных узлов и блоков, удобство проверок и обслуживания и др.

Таким образом, на стадии проектирования надежность нерезервированной системы обеспечивается следующими основными методами:

–выбором простых и стабильных схем, учитывающих также возможности повышения надежности системы при эксплуатации;

–применением качественных и перспективных элементов и выбором режимов работы элементов, соответствующих пониженным электрическим нагрузкам;

–разработкой конструкции системы и приборов, обеспечивающей минимальные нагрузки на систему и элементы, а также удобство обслуживания системы.

Повышение надежности систем при эксплуатации

Если в результате проектирования нерезервированной системы не удается обеспечить требуемую безотказность, можно применять следующие методы повышения надежности системы при эксплуатации:

–обратные связи;

–резервирование.

Применение отрицательных обратных связей позволяет стабилизировать параметры отдельных узлов, блоков и приборов системы, т. е. уменьшать вероятность отказа системы вследствие постепенных отказов. В ряде случаев полезно применять положительные обратные связи.

22

Повышение надежности изделий и систем может быть достигнуто с помощью резервирования.

Наряду с производственным контролем безотказность сложных систем может быть существенно повышена, особенно для начального периода эксплуатации, проведением тренировочных испытаний системы (приработки) в производственных условиях. Это позволяет устранить большинство производственных и скрытых отказов, если приработка системы проходит при больших, по сравнению с номинальными, нагрузками.

23

РАЗДЕЛ 2. ДАТЧИКИ

2.1Общие сведения о датчиках

2.1.1Общие положения

Датчик – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Все датчики классифицируются по измеряемому параметру. Помимо этого, они также могут быть классифицированы как пассивные или активные. В пассивных датчиках мощность, необходимая для получения выхода, обеспечивается самим измеренным физическим явлением (например, температурой), тогда как для активных датчиков требуется внешний источник питания.

Кроме того, датчики классифицируются как аналоговые или цифровые на основе типа выходного сигнала. Аналоговые датчики производят непрерывные сигналы, которые пропорциональны воспринимаемому параметру и обычно требуют аналого-цифрового преобразования перед подачей на цифровой контроллер. Цифровые датчики, с другой стороны, производят цифровые выходы, которые могут напрямую взаимодействовать с цифровым контроллером. Часто цифровые выходы производятся путем добавления аналого-цифрового преобразователя в чувствительный блок. Если требуется много датчиков, более экономично выбирать простые аналоговые датчики и связывать их с цифровым контроллером, оснащенным многоканальным аналогоцифровым преобразователем.

Обычно выходной сигнал от датчика требует последующей его обработки (конвертации), прежде чем сигнал может быть подан в контроллер. Выходной сигнал датчика может быть демодулирован, усилен, отфильтрован и изолирован, так что сигнал может быть принят обычным аналого-цифровым преобразователем контроллера. Вся электроника интегрирована в одну микросхему и может быть непосредственно сопряжена с контроллерами.

Производитель датчика обычно предоставляет калибровочные кривые. Если датчики стабильны, то нет необходимости их перекалибровать. Тем не менее, датчик должен быть перекалиброван после его интеграции с системой управления. Это по существу требует, чтобы для датчика был установлен известный входной сигнал, и чтобы его выходной сигнал регистрировался для установления правильного масштабирования.

Если датчик используется для измерения, изменяющегося во времени входного сигнала, необходима динамическая калибровка. Использование синусоидальных входов – самый простой и надежный способ динамической калибровки.

24

2.1.2 Критерий выбора датчика

При выборе подходящего датчика для определения требуемого физического параметра необходимо учитывать ряд статических и динамических факторов. Ниже приведен список типичных факторов:

1.Диапазон – разность между максимальным и минимальным значением порога измерения параметра.

2.Разрешение – наименьшее изменение, которое может заметить датчик.

3.Точность – разница между измеренным значением и истинным значением.

4.Прецизионность – Возможность повторного измерения с заданной точностью.

5.Чувствительность – отношение изменения выходного сигнала к изменению входного.

6.Смещение нуля – ненулевое выходное значение при нулевом входном

сигнале.

7.Линейность – процент отклонения от наиболее подходящей линейной калибровочной кривой.

8.Дрейф нуля – изменение выходного сигнала из нулевого значения в течение определенного периода времени при отсутствии изменения входного сигнала.

9.Время отклика – временной интервал между входным и выходным сигналами.

10.Полоса пропускания – Частота, при которой выходная величина падает

на 3 дБ

11.Резонанс – частота, при которой происходит пик выходной величины.

12.Рабочая температура – диапазон температур, при котором датчик должен использоваться.

13.Мертвая зона – диапазон значений измерения, который не может измерить датчик.

14.Отношение сигнал/шум – отношение между амплитудами сигнала и шумом на выходе.

Выбор датчика, который удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям, к требуемой спецификации затруднен. Например, выбор датчика положения с точностью до микрометра в диапазоне одного или несколько метров исключает большинство датчиков. Во многих случаях отсутствие необходимого датчика требует перестройки всей системы.

Как только вышеупомянутые функциональные факторы будут удовлетворены, формируют список датчиков. Окончательный выбор датчиков будет зависеть от размера, степени формирования сигнала, надежности, ремонтопригодности и стоимости.

25

2.2Датчики перемещения и положения

2.2.1Общие положения

Датчик перемещения – это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории – датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения.

По принципу действия датчики перемещения могут быть:

•потенциометрическими;

•индуктивными;

•ёмкостными;

•оптическими;

•вихретоковыми;

•ультразвуковыми;

•магниторезистивными;

•магнитострикционными;

•на основе эффекта Холла.

2.2.2 Потенциометрический датчик

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на:

–ламельные с постоянными сопротивлениями;

–проволочные с непрерывной намоткой;

–с резистивным слоем.

Ламельные потенциометрические датчики использовались для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков. В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям.

Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт (см. рисунок 2.1). При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину, соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

26

UВх

UВых

Рисунок 2.1 – Ламельный потенциометрический датчик

Проволочные потенциометрические датчики предназначены для более точных измерений. Как правило, их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

По конструктивному исполнению каркаса различают плоские и цилиндрические резистивные преобразователи с:

–прямолинейным перемещением подвижного контакта;

–угловым перемещением движка (кольцевые и спиральные). Резистивные датчики перемещения (рисунок 2.2) в зависимости от схемы

включения преобразователя Rд и нагрузки измерительной цепи Rн подразделяются на потенциометрические и реостатные преобразователи.

Потенциометрический датчик включается по схеме делителя напряжения (рисунок 2.2 а). Реостатный преобразователь включается последовательно с нагрузкой измерительной цепи (рисунок 2.2 б).

Рисунок 2.2 – Потенциометрическое (а) и реостатное (б) включения резистивного датчика перемещения; потенциометр со средним выводом (в)

Потенциометрическое включение резистивного преобразователя является наиболее предпочтительным при соотношении Rн>>Rд, реостатное включение требует соразмерности Rн и Rд, а также постоянства значения Rн.

Реверсивные потенциометрические датчики (рисунок 2.2 в), называемые также потенциометрами со средней точкой, применяются в тех случаях, когда контролируемая величина должна изменяться не только по абсолютному

27

значению, но и по направлению (знаку). Выходная величина таких датчиков (ток или напряжение) может быть положительной или отрицательной – в зависимости от знака изменения контролируемой величины.

Конструктивно потенциометрический датчик (рисунок 2.3 а) состоит из каркаса 1, на который намотана в один слой обмотка 2 из тонкого провода. По виткам обмотки скользит движок (щетка) 3, который механически связан с объектом, перемещение которого надо измерить. Обмотка выполнена из изолированного провода, а дорожка, по которой скользит движок, предварительно очищена от изоляции.

RX

β=∞

β=10

β=5

X

Рисунок 2.3 – Устройство потенциометрического датчика (а) и его зависимость RХ=f(Х)

Каркас выполнен обычно плоским или в виде цилиндра. Материалом каркаса может быть изолятор (текстолит, гетинакс, пластмасса, керамика) или металл, покрытый слоем изоляции. Металлические каркасы благодаря лучшей теплопроводности позволяют получить большую мощность электрического сигнала на выходе датчика. В качестве материала для такого каркаса может быть нанесен слой оксидированного алюминия толщиной около 10 мкм. При рассматривании в лупу с двадцатикратным увеличением слой не должен иметь трещин или неровностей. Напряжение пробоя такого слоя не менее 500 В.

По виду зависимости между RX и величиной X перемещения движка (углом поворота α) различают линейные и функциональные потенциометры.

Линейные потенциометры

Линейные потенциометры весьма широко применяются в устройствах автоматики. Они характеризуются линейной зависимостью RХ = f(X), которая изображает прямой линией (рисунок 2.3 б).

Зависимость выходного напряжения UВых от напряжения U, питающего потенциометр, определяется соотношением величин сопротивлений нагрузки и потенциометра. Выходное напряжение датчика в режиме холостого хода определяется по следующей формуле:

UВых IRX UВх RRX ,

где R – полное сопротивление датчика, RX – сопротивление введенной части потенциометра.

28

Коэффициент нагрузки RRн , если Rн >>R тогда RRн , поэтому

током нагрузки можно пренебречь, и зависимость UВых =f(X) будет также линейной, если β уменьшить то линейность нарушится, самая большая погрешность достигает при нахождении движка в среднем положении.

Если движок потенциометра перемещать по всей его длине в процессе работы, то расчет такого потенциометра нужно вести на максимальную погрешность, которая определяется выражением:

max 1 . 1 4

Функциональные потенциометры

Функциональные потенциометры, являющиеся носителями заданной программы или заданной функции в системах автоматики, характеризуются определенной зависимостью RX = f(X). Зависимость UBых = φ(X) так же, как и у линейных потенциометров, при сопротивлении нагрузки Rн, соизмеримом с сопротивлением потенциометра, будет отличаться от зависимости RX = f(X).

Поскольку при разработке систем автоматики заданным является зависимость UBых =φ(X), то при расчете потенциометра необходимо по заданной

функции и принятому коэффициенту нагрузки RRн найти функцию RХ=f(X) и

по этой функции определить необходимый профиль каркаса потенциометра. Приближенно можно принять, что высота каркаса Н функционального

потенциометра меняется пропорционально производной от функции RX = f(X), т. е.

H k dRdXX .

Для наиболее часто встречающихся функций форма каркасов потенциометров приведена в таблице 2.1.

Вследствие сложности намотки профильных потенциометров и невозможности получения профиля при dRdXX в большинстве случаев вместо

профильных потенциометров применяют к ступенчатые.

Это замена основана на том, что кривая RХ =f(X) заменяется отрезками прямых (аппроксимируется), таким образом, чтобы максимальное значение ошибки апр не превышало определенной величины.

При этом функциональный потенциометр как бы делится на несколько линейных потенциометров.

На рисунке 2.4 а показано устройство резистивного преобразователя углового перемещения. На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного

29