Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы автоматики. Учебное пособие
.pdf
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
жутка времени (или меняется достаточно медленно). В нем соотношение между входной и выходной величинами определяется
алгебраическим выражением. Статический режим соответствует
установившемуся состоянию системы.
При динамическом режиме выходная величина изменяется
достаточно быстро, и ее состояние зависит от времени.
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
К информационным элементам относят устройства для получения информации, ее преобразования, хранения и передачи.
В данном разделе рассмотрены некоторые из множества информационных элементов, которые присутствуют, как правило, в
любой системе управления, относящиеся к преобразователям и
датчикам.
3.2.1. Преобразователи и датчики
Датчики служат для измерения регулируемой величины и
преобразования ее в другую, удобную для дальнейшего использования. Бывают аналоговые и дискретные. Основными элементами датчика, обеспечивающими его работу, являются преобра
зователи.
Первичный преобразователь (или измерительный) преобразу-
ет измеряемую величину в величину, удобную для дальнейшего
использования. Остальные преобразователи так или иначе преобразуют (на пример, усиливают) полу ченну ю от перви ч ного преобразователя величину.
Датчик, как правило, имеет название первичного преобразователя: датчик скорости, напряжения, освещенности и т. д.
Измеряемая величина может быть как неэлектрической, так и
электри ческой. Преобразованная величина, которую часто называют сигналом, в большинстве случаев бывает электрической. Это
связано с большими достоинствами электрической энергии: сигнал можно передавать на расстояния, легко преобразовывать, например, в числовой код, подвергать различным операциям и т. д.
По принципу действия датчики можно отнести к одной из
следующих групп.
В параметрических преобразователях измеряемая величина
изменяет электрические параметры R, L или C преобразователя.
41
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
В генераторных преобразователях измеряемая величина преобразуется в ЭДС. К генераторным относят пьезоэлектрические,
фотоэлектрические преобразователи, преобразователи, создающие термоЭДС, тахогенераторы. Они используют энергию измеряемой величины и не требуют дополнительной энергии извне.
В частотных преобразователях выходной величиной является частота, зависящая от измеряемой величины.
Измерительный преобразователь искажает измеряемую величину. Если это искажение выходит за границы допустимой
ошибки, используют компенсационный метод измерения. При
этом измеряется не сама выходная величина, а величина той
же физической природы, которая компенсирует выходную. Тогда выходная величина не подвергается влиянию измерительного
преобразователя.
К датчикам предъявляют определенные требования, которые, в основном, сводятся к высокой статической и динамической точности; стабильности характеристик во времени; отсутствию влияния нагрузки на результат измерения; высокой избирательности (минимальное влияние других величин на результат
измерения данной величины); повторяемости результатов; допустимой стоимости; удобству монтажа и обслуживания и многим
другим.
Для взаимозаменяемости, удобства встраивания в измерительную цепь, согласования с другими приборами выходные сигналы многих датчиков имеют унифицированные значения. Наибольшее распространение получили унифицированные электрические, пневматические и гидравлические сигналы. Унификация
производится в разных диапазонах. Например, для электрических
сигналов постоянного напряжения имеются следующие диапазоны: (0…10; 0…20; –10…0…+10) мВ; (0…1; –1…0…+1) В. Для преобразования
естественного сигнала в унифицированный необходимы нормиру
ющие усилители (преобразователи), с помощью которых усиленный естественный сигнал попадет в заданный диапазон унифицированного сигнала. Для изменения масштаба сигнала служат
масштабные усилители.
Принято называть датчики в зависимости от выполняемых
функций: датчики перемещения, скорости, температуры и т. д.
Однако одинаковые первичные преобразователи, которые применяются в них, могут использоваться в различных по назначению
42
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
датчиках. Поэтому удобно рассматривать преобразователи по их
физическим принципам работы и указывать, в каких датчиках
они могут применяться.
3.2.2. Измерительные схемы
Информация с датчика передается через измерительную схему, которая так же, как датчик, обладает чувствительностью. Общая чувствительность, равная произведению чувствительностей
датчика и схемы, может быть выше чу вствительности одного датчика. Таким образом, схема обладает усилительными свойствами.
Мостовая измерительная схема постоянного тока
В мостовой измерительной схеме (рис. 20) имеются следующие элементы.
Диагональ АС называется диагональю питания, в нее включен ис-
R
точник питания Е с внутренним со-
1
противлением RЕ.
BD – измерительная диагональ.
В нее включено измерительное уст-
A
ройство (например, измерительный
прибор или вход операционного уси-
R
лителя) с сопротивлением R
изм
.
2
R1…R4 – сопротивления, вклю-
ченные в соответствующие плечи моста. По ним протекают изображенные на рисунке стрелками токи i1…i4.
В измерительной диагонал и тоже мо-
Рис. 20. Мостовая схема
жет протекать ток.
При измерении в одно или два плеча моста включается датчик (датчики), а с помощью остальных, известных, элементов
определяется его сопротивление.
Уравновешенным называется мост, ток в измерительной диагонали которого равен нулю. Измерение может производиться с
помощью как уравновешенного, так и неуравновешенного моста.
В уравновешенном мосте ток в диагонали равен нулю. Значит, i1 = i3 и i2 = i4. С другой стороны, раз ток в диагонали
равен нулю, потенциалы точек В и D равны. Потенциал точ-
ки В относительно точки А равен i1R1, потенциал точки D относительно точки А равен i2R2. Следовательно, i1R1 = i2R2. Точно так же i3R3 = i4R4. Деление одного равенства на второе даст
B
i
i
i
2
R
E
постоянного тока
3
1
i
изм
R
изм
i
4
D
Е
R
3
С
R
4
43
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
11 2 2
33 44
iR i R
12
34
RR
RR
23
4
iR iR
, откуда
, или R1R4 = R2R3: произведения сопро
тивлений противоположных плеч уравновешенного моста равны.
Если одно из плеч моста, например R1, является датчиком,
сопротивление которого в процессе измерения изменяется, и его
RR
нужно определить, то
RR
1
. Изменяя одно или два других
сопротивления моста, доводят мост до равновесия, а затем определяют R1. При измерении уравновешенным мостом необходимо
знать остальные три сопротивления после их изменения.
Измерение уравновешенным мостом трудно автоматизиро-
вать.
Если мост не уравновешен, ток в измерительной диагонали
однозначно зависит от измеряемого сопротивления: каждому току
соответствует только одно значение сопротивления. Это дает
возможность полностью автоматизировать измерение, особенно
при использовании вычислительной техники.
Мостовая измерительная схема переменного тока
Если сопротивления плеч мостовой схемы имеют реактивный характер, т. е. Z1 = R1 + jX1, Z2 = R2 + jX2, Z3 = R3 + jX3,
Z4 = R4 + jX4, условие равновесия моста будет выглядеть как
Z1Z4 = Z2Z3. С обеих сторон равенства расположены комплексные
числа, которые могут быть равны, если действительные части
слева и справа равны между собой и мнимые части слева и справа равны между собой. Для равновесия моста переменного тока
необходимо выполнение двух равенств, в которые входят одни
и те же составляющие. Поэтому если одно из равенств выполнено, для выполнения второго необходимо изменять элементы,
входящие в первое равенство, что нарушит его. Для упрощения
задачи используют следующие мосты переменного тока, которые
описываются только одним равенством.
1. Плечи моста чисто реактивные. Тогда Х1Х4 = Х2Х3.
2. Плечи моста чисто активные: R1R4 = R2R3.
3. Два соседних плеча имеют только активные, а два других –
реактивные составляющие. Тогда условие равновесия может выглядеть следующим образом: Х1Х4 = R2R3.
Для обнаружения реактивных составляющих питание моста
должно осуществляться источником переменного тока. Призна
ком моста переменного тока является источник питания перемен
ного тока.
44
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
Дифференциальные (разностные) измерительные схемы
В дифференциальной измерительной схеме (рис. 21) датчик
присоединяется так, что его части Z1 и Z2 включены в разные
плечи моста. При измерении сопротивление одного плеча увеличивается, другого – уменьшается. По сравнению с мостовой
схемой, в которой при изменении
сопротивления одного плеча изменяется напряжение точки В
или точки D, в дифференциальной схеме в одной из точек напряжение увеличивается, в другой – уменьшается. Разность напряжений точек В и D больше,
ток через измерительный прибор
больше, чувствительность выше.
В дифференциальной измерительной схеме можно использовать и два датчика. Главное,
чтобы их показания при измерении менялись в противоположные стороны.
Z
1
A
Z
2
Рис. 21. Дифференциальная
измерительная схема
B
Z
3
i
i
1
i
2
R
E
3
i
изм
R
изм
i
4
D
Е
С
Z
4
В дифференциальных схемах переменного тока в качестве
плеч Z3 и Z4 можно использовать вторичную обмотку трансформатора, если она выполнена со средней точкой. Многие из датчиков спроектированы так, чтобы их использовать в дифференциальном включении.
Недоcтатком дифференциальных схем является влияние напряжения источника питания на погрешность измерения.
3.2.3. Датчики перемещений и скорости
Потенциометрические, электроконтактные, бесконтактные
пре образователи
Потенциометрический преобразователь представляет собой
потенциометр (Rд), скользящий контакт (щетка) которого перемещается измеряемым объектом и служит для преобразования
перемещений в электрический сигнал (рис. 22). Напряжение,
снимаемое со щетки, пропорционально перемещению. Датчик
изготав л и вае т ся пу тем намотки тонкого провода (ма н г а н ин, константан, сплавы платины, золота) с высоким удельным сопротивлением на жесткий каркас. Каркасы выполняют из керамики,
45
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
пластмасс, оксидированного алюминия. Форма каркаса может
быть разнообразной. Наиболее распространен каркас в форме тороида (рис. 23). Такие датчики имеют минимальные габариты и
более равномерное усилие прижатия щетки при ее перемещении.
Щетки изготавливают из сплавов серебра, платины, иридия,
палладия и др. Контакт щетки с проводом каркаса должен иметь
минимальное и, по возможности, постоянное контактное сопротивление при минимальном износе провода. Чем меньше диаметр провода, тем меньше скачки напряжения при перемещении
щетки. С другой стороны, малый диаметр провода снижает его
прочность, уменьшает надежность. Для стабильности контактного сопротивления при перемещении щетки и уменьшения давления на отдельный виток щетка перекрывает несколько витков.
R
U
Рис. 22. Потенциометрический
д
L
преобразователь
R
н
U
вых
Рис. 23. Тороидальный
потенциометрический преобразователь
Форму каркаса или шаг намотки провода на каркас можно
выполнить так, чтобы выходной сигнал при равномерном перемещении щетки изменялся в соответствии с определенной функцией. Так выполнен поплавковый датчик количества топлива в
баке автомобиля, поскольку одинаковое перемещение поплавка
соответствует различному количеству топлива.
Из рисунка 22 видно, что показания датчика зависят от сопротивления нагрузки. Чем больше Rн, тем меньше это влияние.
Достоинства датчика: простота, небольшие габариты и масса.
Недостатки: невысокая надежность из-за скользящего контакта, изменение показаний в связи с износом, невысокая точность.
Применяются потенциометрические датчики для измерения
перемещений и используются в устройствах для измерения уровня
жидкостей, давления, температуры – там, где первичный преобразователь создает перемещение, которое можно измерить.
Тензометры (тензометрические датчики) представляют собой
сопротивление, выполненное из тонкого провода либо алюмин и е в ой пленки, нанесенное на бумажную или пластмассовую
46
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
основу. При деформациях сопротивление меняется. Измеряя его,
определяют величину деформации. Тензометры наклеивают в
опасных местах (например, на трещинах), чтобы определить изменение их состояния с течением времени.
Электроконтактные датчики перемещений и путевые
переключатели
В электроконтактных датчиках перемещений имеется стержень, который упирается в измеряемый объект. С помощью рычажной системы стержень вызывает замыкание контакта, которое
свидетельствует о том, что перемещение достигло определенной
величины. Электроконтактные датчики бывают однопредельными, когда фиксируется перемещение в одну сторону, и двухпредельными, когда один контакт срабатывает при достижении
определенного положения в одну сторону, а другой – в другую.
В металлообработке электроконтактные датчики используют для
контроля размеров деталей. Измерение может производиться с
погрешностью до 0,01 мм.
Путевые переключатели свидетельствуют о проходе движущегося узла через определенную точку. Устройство похоже на
устройство датчика перемещений. Для уменьшения трения стержень может быть выполнен в виде ролика. Точность позиционирования путевых переключателей невелика – около 1 мм.
Изготавливают и широко используют бесконтактные путе
вые переключатели, которые не имеют механического контакта
измеряемого объекта с переключателем. Точность, надежность и
повторяемость их значительно выше, чем у контактных датчиков.
Габариты значительно ниже. В основе датчика лежит индуктивный первичный преобразователь с электронной схемой, работающей в ключевом режиме.
Индуктивные преобразователи
В индуктивных преобразователях перемещение приводит к
изменению зазора в магнитной цепи, в результате которого происходит изменение индуктивности L (магнитного сопротивления
RM или взаимоиндуктивности M ).
В простых индуктивных преобразователях (рис. 24) зазор δ
между сердечником и якорем, связанным с перемещающейся
деталью, изменяется. От зазора зависит индуктивное сопротивление преобразователя. Переменный ток через преобразователь
меняется в соответствии с рисунком 24, б.… По току можно опре-
делить величину зазора δ. Недостатки простых индуктивных
преобразователей заключаются:
47
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
y в малой зоне линейности на статической характеристике
(рис. 24, б);
y несимметричности измерения: при перемещении якоря в
одну сторону ток увеличивается, в другую – уменьшается. Чтобы
измерение проходило в обе стороны, необходим начальный зазор;
y притягивании якоря током, протекающим по катушке. Си-
лу притяжения необходимо компенсировать.
R
∼
I (U
вых
)
а
Ф
Якорь
Сердечник
U
δ
Рис. 24. Простой индуктивный преобразователь:
а – схема; б – зависимость тока от зазора δ
вых
б
δ
Дифференциальный индуктивный преобразователь (рис. 25)
можно представить как два простых преобразователя, имеющих
общий якорь.
I
Z
I
1
а
Рис. 25. Дифференциальный индуктивный преобразователь:
I
2
б
а – схема; б – зависимость тока от зазора δ
x
Важным условием является равенство индуктивностей катушек. Когда якорь приближается к одной катушке, от другой он
удаляется. Статические характеристики обоих преобразователей
48
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
можно изобразить как на рисунке 25, б. По нагрузке Z токи от
датчиков протекают в противоположных направлениях, напряжение на нагрузке пропорционально разности токов, т. е. датчик
является дифференциальным.
По сравнению с простым дифференциальный индуктивный
преобразователь имеет следующие достоинства:
y симметричность характеристики относительно нулевого
положения;
y большой участок линейности;
y при перемещении, равном нулю, выходной сигнал равен
нулю;
y силы притяжения якоря каждой из катушек приблизитель-
но равны;
y при переходе якоря через нулевое положение фазы тока в
катушках меняются на 180°, что дает возможность проведения
фазовых измерений. Дифференциальный индуктивный преобразователь удобно включать в мостовую измерительную схему
(см. рис. 25).
Трансформаторные индуктивные датчики выполняют в виде
трансформатора с разомк нутой магнитной цепью, которая замыкается якорем. При зазоре, равном нулю (якорь притянут), ЭДС
вторичной обмотки максимальна. При увеличении зазора ЭДС
уменьшается. Недостатком трансформаторных индуктивных датчиков является нелинейность характеристики.
Магнитоупругие индуктивные преобразователи основаны на
том, что магнитная проницаемость μ ферромагнитного материала меняется от механических напряжений в нем. Напряжение
на вторичной обмотке трансформатора зависит от силы сжатия,
действующей на сердечник.
Индуктивные преобразователи применяют для измерения
перемещений. Их могут использовать в тех датчиках, в которых
первичный преобразователь преобразует измеряемую величину
в перемещение: датчиках силы, давления, температуры, расхода
жидкостей и газов и т. п. Они могут непосредственно измерять
толщину немагнитных покрытий стали, свойства магнитных материалов, силу.
Достоинства: простота; невысокая стоимость; механическая
прочность; надежность; высокая чувствительность; возможность
измерения малых и больших перемещений.
49
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
,
d
Недостатки: возможность влияния внешних магнитных полей; работа только на переменном токе; чувствительность к изменению частоты питающего напряжения.
Емкостные преобразователи
Емкость конденсатора:
S
0
С
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды;
ε0 – диэлектрическая постоянная; S – площадь пластины кон-
денсатора; d – расстояние между пластинами.
Из этого выражения следует, что емкостные преобразователи
перемещения можно выполнить в соответствии с рисунком 26. Из
него видно, что датчики возможны как простые, так и дифференциальные (рис. 26, а, б). В случае а при уменьшении расстояния d
между обкладками и постоянной площади S емкость С конденсато-
ра увеличивается (и наоборот). В случае б при перемещении средней обк ла дки емкость одного конденсатора увеличивается, второго
уменьшается. В случае в при повороте изменяется площадь.
а б в
Рис. 26. Емкостный преобразователь:
а – простой; б – дифференциальный; в – поворотный
Изменение емкости непосредственно измерить сложно. Поэтому емкостные датчики обычно включают в измерительную
схему, где они работают на частоте f > 400 Гц. От изменения
емкости меняется реактивное сопротивление, что служит величиной для определения перемещения.
Емкостные преобразователи применяют так же, как и индуктивные. Они тоже могут непосредственно измерять толщину немагнитных покрытий стали: одной из обкладок является
стальная деталь, второй – обкладка датчика, а, например, краска – материал между обкладками с известной диэлектрической
проницаемостью.
Достоинства: простота; невысокая стоимость; механическая
прочность; надежность; очень высокая чувствительность; возможность измерения малых и больших перемещений.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]