Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройства сбора информации для управления техническими системами. Методические указания по дисциплине «Управление техническими системами» для студент
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра электротехники и электропривода
УСТРОЙСТВА СБОРА ИНФОРМАЦИИ
ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
Методические указания по дисциплине
«Управление техническими системами»
для студентов бакалавриата направления подготовки
27.03.04 Управление в технических системах
ISBN 978-5-7264-1145-3
Москва 2015
© НИУ МГСУ, 2015
© Оформление.
ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2015
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 681.586(07)
ББК 32.965-044я73
У82
Р е ц е н з е н т
кандидат технических наук В.П. Бережной,
профессор кафедры электротехники и электропривода НИУ МГСУ
Составили
В.А. Велички н, В.А. Завьялов, Ю.Л. Беккер, С .В. Побат
У82 Устройства сбора информации для управления техническими система-
ми [Электронный ресурс] : Методические указания по дисциплине «Управление техническими системами» для студентов бакалавриата направления подготовки 27.03.04 Управление в технических системах / М -во образования и
науки Рос. Федерации, Нац. исследоват. Моск. гос. строит. ун-т, каф. электротехники и электропривода ; сост. В.А. Величкин [и др.]. — Электрон, дан. и
прогр. (4 Мб). — Москва : НИУ МГСУ, 2015. — Режим доступа:
http://www.iprbookshop.ru/. — Загл. с титу л. экрана.
ISBN 978-5-7264-1145-3 (сетевое)
ISBN 978-5-7264-1144-6 (локальное)
Рассмотрены характеристики различных и змерительных преобразователей,
принцип их действия и анализ работы. Описаны потенциометрические, индуктивные, трансформаторные индуктивные и емкостные датчики. Представлен ы понятия и
термины в области автоматизации технологических процессов, все теоретические
положения и ллюстрируются примерами.
Для студентов бакалавриата направления подготовки 27.03.04 Управление в технич е-
ских системах, изучающих дисциплину «Управление техническими системами», и инженеров, работающих в области автоматизации строительства.
Учебное электронное издание
© НИУ МГСУ, 2015
© Оформление.
ООО «Ай Пи Эр Ме диа», 2015
Редактор Е .А. Копылова
Технический редактор А.В. Кузнецова
Корректор Ю.С. Кулик
Компьютерная верс тка С.С. Сизиумовой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного
Microsoft Word 2013, приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
Подписано к использованию 07.10.2015. Уч.-изд. л. 2,92. Объем данных 4 Мб.
Для создания электронног о издания использовано:
разработанное на основе Adobe Air
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Национальный исследовательский
Московский госу дар ственный строительный у ниверситет»
(НИУ МГСУ).
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ.
Тел. (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru.
ООО «Ай Пи Эр Медиа».
Тел. 8-800-555-22-35, (8452) 24-77-97, вн . 208,
E-mail: izdat@iprmedia.ru, mail@iprbookshop.ru
www.iprbookshop
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ........................................................................................................................... 5
1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ................. 6
2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧ ИКИ.................................................... 8
2.1. Общие сведения....................................................................................................... 8
2.2. Однотактный потенциометрический датчик ................................................... 9
2.3. Дву хтактные потенциометрические датчики ................................................ 13
2.4. Параметры потенциометрических датчиков ................................................. 16
3. ИНДУКТИВ НЫЕ ДАТЧИКИ ........................................................................... 20
3.1. Общие сведения..................................................................................................... 20
3.2. Простейший однотактный индуктивный датчик ......................................... 20
3.3. Двухтактные индуктивные датчики................................................................. 24
3.4. Трансформаторные индуктивные датчики .................................................... 29
3.5. Параметры индуктивных датчиков .................................................................. 33
4. ЕМКОСТНЫ Е ДАТЧИКИ ................................................................................. 35
4.1. Емкостные датчики линейных и угловых перемещений ........................... 35
4.2. Емкостные датчики уровня жидкости ............................................................. 40
4.3. Параметры емкостных датчиков ....................................................................... 42
5. ДАТЧИКИ С ЧАСТОТНЫМ ВЫ ХОДОМ................................................... 43
Библиографический список.................................................................................... 45
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время никого не удивишь полностью или частично автоматизированными машинами, приборами, бытовой техникой, даже
игрушками. К такого рода машинам относятся и промышленные роботы, изначально предназначенные для автоматизации операций, выполняемых вручную, и представляющие собой своеобразный сплав исполнительных механизмов и компьютеров, искусственного интеллекта,
искусственных органов чувств и биоподобных устройств. Применение
робототехнических устройств и систем многогранно. Они позволяют
делать производство безлюдным, помогают осваивать космос, выполнять подводные работы, заготавливать лес и проводить подземные выработки, ликвидировать последствия аварий, катастроф и т.д.
Видный американский ученый А. Тоффлер выдвинул гипотезу о
том, что наша цивилизация в конце XX в. вступила в третью (после
древней, аграрной и более поздней, промышленной), компьютерную
волну прогресса. Это соответствует действительности, но только отчасти. Следует еще учитывать одновременно появившуюся и так же бурно
развивающуюся робототехнику.
Перед человечеством впервые открылась совершенно новая перспектива комплексной автоматизации практически всех сторон своей
жизни. С этой точки зрения компьютеры и роботы неразделимы в наступающей третьей волне прогресса, одним из признаков которой становится комплексная автоматизация как важнейшее направление развития науки и техники XXI в.
Согласно современным представлениям, инженеры должны проектировать не только само техническое изделие, но и все, что необходимо для
обеспечения существования этого изделия на протяжении всего его жизненного цикла (периода с момента возникновения замысла до момента
утилизации последнего образца данного изделия). Для реализации такого
системного подхода к проектированию используются принципиально новые компьютерные технологии прогнозирующего моделирования и
управления на стадиях разработки, комплектации, гибкого безлюдного
производства, модер-низации, сбыта, эксплуатации, сервисного обслуживания и утилизации продукции на основе безбумажной документации. Такие компьютерные технологии позволяют в полной мере реализовать идеи
комплексной автоматизации в современном машино- и приборостроении,
а также в банковской деятельности, в здравоохранении, строительстве и
других сферах.
5
1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА
И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ
Любая автоматическая система содержит в качестве функционально необходимых элементов один или несколько измерительных преобразователей или датчиков, предназначенных для получения первичной
информации о состоянии объекта управления. Датчик представляет собой устройство, осуществляющее измерение значения управляемой или
контролируемой велич ины и преобразование этого значения в сигнал,
удобный для дальнейшей обработки и передачи по каналу управления.
Следует отметить, что один и тот же элемент, предназначенный
для получения первичной информации, может осуществлять функции
измерения и преобразования контролируемой величины одновременно, а может выполнять только функции преобразования. Так, например, потенциометр, используемый для получения информации о вел ичине углового или линейного механического перемещения , является
датчиком, так как он исполняет одновременно функции измерения
механического перемещения и преобразования его в электрический
сигнал. В другом случае, например для получения первичной информации о величине давления жидкости или газа, в качестве измерительного устройства, чувствительного к изменению давления, применяются
мембранные или сильфонные приемники, а потенциометр выполняет
функции преобразователя.
Таким образом, невозможно произвести однозначное разделение
элементов, применяемых для получения первичной информации в автоматических системах, на измерительные преобразователи и преобразовательные устройства. В связи с этим в дальнейшем под датчиком будем
понимать элемент, осуществляющий одновременное выполнение функций измерения и преобразования по отношению хотя бы к одному виду
регулируемой или контролируемой величины.
Датчики сигналов можно разделить на два класса: параметрические
и генераторные. Параметрические датчики обычно преобразуют не-
электрические входные величины в параметры электрической цепи R,
L, M и C и, соответственно, делятся на резисторные, индуктивные,
трансформаторные и емкостные. Эти датчики требуют дополнительных
источников питания.
В автоматических системах параметрические датчики используются в основном для преобразования угловых и линейных перемещений в
электрический сигнал.
6
В генераторных датчиках осуществляется непосредственное пре-
вых
вх
dx
K
dx
constK
K
вх
x
вх
x
образование энергии входной величины в энергию электрического выходного сигнала. К числу таких датчиков относятся тахогенераторы
постоянного и переменного тока.
К числу основных характеристик и показателей датчиков относятся:
1) статическая характеристика — зависимость выходной вели-
чины от входной в установившемся режиме:
Х
= f(xвх);
вых
2) чувствительность датчика — производная выходной величины
по входной в установившемся режиме:
.
Для датчиков, имеющих линейную характеристику, величина
. У датчиков с нелинейной характеристикой чувствительность
зависит от значения входной величины
;
3) разрешающая способность, или порог чувствительности, дат-
чика — наименьшее изменение входной величины
, которое вы-
зывает изменение выходного сигнала, превышающего уровень шумов
на выходе датчика;
4) погрешность — отклонение реальной статической характери-
стики от идеальной или отклоне ние статической характеристики датч ика с нагрузкой на выходе (нагрузочной характеристики) от статической
характеристики датчика без нагрузки (характеристики холостого хода);
5) максимальная мощность выходного сигнала;
6) мощность входного сигнала или величина входного усилия или
момента;
7) диапазон изменения выходного сигнала;
8) уровень и частотный спектр шумов;
9) динамические свойства.
7
2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Обмотка
Каркас
Ползунок
а б
2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Потенциометрический датчик представляет собой переменный
резистор с линейным или угловым перемещением ползунка, которое
преобразуется в соответствующее изменение сопротивления, тока или
напряжения.
Широкое применение в автоматических системах получили проволочные потенциометрические датчики. Такой датчик состоит из
каркаса, обмотки и подвижного токосъемного контакта (ползунка)
(рис. 1).
Каркас изготавливается из изоляционного материала или металла,
покрытого слоем изоляции. По форме каркасы бывают плоскими, цилиндрическими и кольцевыми. Обмотку выполняют высокоомным проводом из манганина, константана, нихрома и др. Диаметр обмоточного провода в зависимости от необходимой точности составляет 0,03…0,1 мм —
для датчиков высокого класса точности и 0,3…0,4 мм — для датчиков
низкого класса. Обмоточный провод покрывают эмалью или слоем
окислов.
Рис. 1. Потенциометрический датчик:
а — конструкция линейного датчика;
б — конструкция углового датчика
Ползунок выполняют в виде нескольких параллельных проволок
или пластинчатых щеток; при этом материалом служат сплавы пластины с иридием или бериллием, серебро или фосфористая бронза.
8
Изоляция на обмотке вдоль линии перемещения ползунка снимает-
п
U
вх
x
вых
U
0
R
н
R
н
0I
п
вых вых0 вх п вх
U
U U x U x
l
вх
вх
x
x
l
вх
01x
вых0
вых н н н
н вн
,
U
U I R I
RR
вых0
вых н
вых
вн
н вн
н
1
U
UR
U
R
RR
R
ся, в результате чего образуется контактная дорожка.
В целях предотвращения окисления и загрязнения контактной дорожки и ползунка, а также для защиты потенциометра от механических
повреждений его часто помещают в герметический корпус.
2.2. ОДНОТАКТНЫЙ
ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Принципиальная схема однотактного потенциометрического датчика изображена на рис. 2, где
или переменного тока;
на датчика);
— выходное напряжение (выходная величина дат-
— перемещение ползунка (входная величи-
— напряжение питания постоянного
чика); l — общая длина намотки (максимальная величина перемещения ползунка);
— сопротивле ние обмотки датчика на длине l.
Датчик осуществляет преобразование перемещения в электрическое
напряжение, для режима холостого хода (
;
) статиче-
ская характеристика линейна, так как справедливо равенство (1):
, (1)
где
— относительное перемещение ползунка,
Статическая характеристика датчика показана на рис. 3.Выходное
напряжение нагруженного датчика зависит от характера и величины
нагрузки. В случае активной нагрузки, применяя теорему об эквивалентном генераторе к схеме на рис. 2, можно записать (2):
Таким образом (3):
.
. (2)
, (3)
9
где
вн
R
п
0U
0
ab bc ab bc
ab
ab bc
R R R R
R
R R R
ab
R
bc
R
н
I
а
c
b
вх
x
0
()R
l
вых
U
п
U
н
R
п
U
вх
x
0
0,5
вых 0
U
вх
0
1
bс
х
RR
l
вн вх вх 0
( 1 )R x x R
при отключенной нагрузке и источнике питания
— внутреннее сопротивление датчика, измеренное на выходе
.
Пренебрегая внутренним сопротивлением источника питания дат-
чика, получаем (4):
, (4)
где
(рис. 2).
и
— сопротивления соответствующих участков намотки
Рис. 2. Схема однотактного потенциометрического датчика
Рис. 3. Статическая характеристика датчика
Для линейного датчика:
тогда:
,
.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]