Лабораторная работа №1. Первичные измерительные преобразователи (пип) линейных перемещений

Цель работы: ознакомиться с общими принципами построения ПИП линейных перемещений, конструктивным исполнением отдельных ПИП. Изучить принцип действия потенциометрических и индуктивных датчиков, схему и устройство бесконтактного выключателя. Изучить статические свойства ПИП как элементов автоматического управления.

Общие сведения

Первичным измерительным преобразователем (датчиком) называют устройство, выполняющее функции преобразования измеряемой (управляемой) величины в величину более удобную для дальнейшего использования. ПИП линейных перемещений используют и самостоятельно (например, для измерения уровня жидкости, размеров деталей, перемещения узлов механизма), и как составные элементы многих других, более сложных ПИП. Так, многие ПИП давления, расхода, температуры, влажности и т.п. содержат чувствительные элементы, преобразующие измеряемую величину в перемещение и далее в выходной сигнал.

Измерительные преобразователи, которые изучаются в данной работе, преобразуют линейные перемещения в электрический сигнал (напряжение или ток), изменяя параметры электрической цепи, которые связаны известной функциональной зависимостью:

I=Uc/Z (1)

где I - ток в электрической цепи.

Uc - напряжение питания.

Z - полное сопротивление цепи.

Для цепей постоянного тока Z=R, а для цепей переменного тока

где R - активное сопротивление цепи

С - емкость цепи.

h - индуктивность

- частота питающего напряжения.

Анализируя выражение 1 и 2 можно сделать вывод, что для получения выходного сигнала J при питании ПИП постоянным током перемещение должно влиять на Uc или R, а при питании переменным можно изменять также h,C и .

Кроме ПИП, преобразующих перемещение в электрический сигнал, на практике применяются и измерительные преобразователи, использующие свойство предметов перекрывать направленные потоки энергии. Нашли применение оптические, радиоактивные, рентгеновские преобразователи, в которых перемещение преобразуется вначале в промежуточную величину, а затем в электрический сигнал.

Потенциометрические (реостатные ) ПИП перемещения.

Потенциометрический измерительный преобразователь состоит из каркаса с намотанным на него проводом и подвижной токосъемной щетки (скользящего контакта). Провод, применяемый для намотки, должен иметь высокое удельное сопротивление, мало зависящее от температуры. Обычно применяют константановые, манганиновые, фехралевые проволоки; в особо ответственных случаях - провод из сплавов на основе платины. Для изготовления каркасов применяют керамические материалы, пластмассы, алюминиевые сплавы, покрытые защитным лаком. Токосъемная щетка выполняется из упругой проволоки или в виде ролика.

Простейшая схема включения потенциометрического ПИП приведена на рис.1.

Рис.1. Нереверсивная схема включения потенциометрического

ПИП (а) и его характеристика (б).

При непрерывной намотке проволоки напряжение питания Uc распределяется равномерно по длине потенциометра, поэтому без нагрузки (сопротивление нагрузки ) потенциал щетки пропорционален перемещению:

(3)

где l -длина потенциометра, х - перемещение скользящего контакта.

При включенной нагрузке выходное напряжение не пропорционально перемещению щетки, так как часть потенциометра шунтируется нагрузкой, и ток в этой части меньше, чем в той части потенциометра, которая находится до подвижного контакта.

В этом случае:

(4)

Из выражения (4) видно, что зависимость выходного напряжения от измеряемой величины тем ближе к линейной, чем меньше отношение сопротивления потенциометра Ro к сопротивлению нагрузки. Зависимость близка к линейной, если Rн > 10Ro.

При несоблюдении этого условия будет сказываться шунтирующее действие нагрузки и статическая характеристика схемы будет иметь вид кривой 2 (рис.1-б).

При активной нагрузке потенциометр практически безинерционен . При значительной емкости или индуктивности нагрузки в схеме будут иметь место переходные прцессы.

Схема, приведенная на рис.1, является нереверсивной, т.к. при любом положении ползунка знак выходного напряжения или его фаза не изменяется.

Различные варианты реверсивных схем включения потенциометров представлены на рис.2. В этих схемах измеряемое перемещение может быть положительным или отрицательным и в соответствии с этим меняется знак или фаза выходного напряжения.

Рис.2. Реверсивные схемы включения потенциометров:

а) потенциометр со средней точкой;

б) мостовая схема с двумя потенциометрами.

В первом ПИП на рис.2а выходное напряжение снимается с движка и средней точки потенциометра, которая принимается за начало отсчета перемещения движка. При прохождении движком средней точки меняется знак выходного напряжения, если ПИП питается постоянным током, и на 180° меняется фаза напряжения, если потенциометр питается переменным током.

У второго ПИП (рис.2б) напряжение снимается с двух движков, перемещающихся симметрично относительно средних точек двух потенциометров. Очевидно, что при одинаковом перемещении Х выходное напряжение у второго датчика в два раза больше, чем у первого.

Основным недостатком потенциометрических ПИП является наличие скользящего контакта, снижающего надежность работы, поэтому срок службы при замере высокочастотных перемещений невелик. Контактную поверхность трудно изолировать от внешней среды. Достоинства потенциометров заключаются в конструктивной простоте и возможности применения источников питания переменного и постоянного тока.

Индуктивные измерительные преобразователи.

Работа индуктивных ПИП основана на изменении индуктивного сопротивления катушки со стальным стержнем при передвижении подвижного якоря или при перемещении стального сердечника внутри катушки. В простейшей нереверсивной схеме (рис.3) обмотка дросселя подключается последовательно с сопротивлением нагрузки к источнику переменного тока. При изменении величины воздушного зазора или при перемещении сердечника изменяется индуктивное сопротивление дросселя. В результате будет изменяться ток в цепи и, соответственно, падение напряжения на нагрузке.

Рис.3. Схема простейшего индуктивного ПИП (а)

и его характеристика (б).

Простейший индуктивный ПИП имеет характеристику близкую к линейной. Отклонения от линейной зависимости на начальном и конечном участках характеристики вызваны тем, что дроссель не может иметь сопротивление равное нулю или бесконечности при любых перемещениях сердечника или якоря.

Недостатки простейшего индуктивного ПИП вызваны большими усилиями при перемещениях якоря (ПИП- электромагнит), сильным влиянием напряжения и частоты источника питания, температуры и других факторов.

Широкое применение находят ПИП, выполненные по дифференциально- трансформаторной и мостовой схемам.

Рис.4. Схема реверсивного индуктивного ПИП (а)

и его характеристика (б).

Дифференциальный индуктивный ПИП (рис.4) конструктивно выполнен в виде соленоида. На изоляционный каркас намотано три катушки, первичные L1, L2, вторичная L3, в катушках перемещается ферромагнитный сердечник, который соединяется с рабочими механизмами. Обмотки L1 и L2 включены встречно. Через них пропускается переменный ток, с обмотки L3 получают сигнал. За начало отсчета при перемещении принимается среднее положение сердечника. В нулевом положении сердечника схема будет уравновешена и напряжение на нагрузке Uвых будет также равно нулю. При небольших отклонениях сердечника выходное напряжение будет возрастать практически линейно, причем с изменением знака перемещения (переход якоря через нулевое положение в противоположную сторону) фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Балансировка нуля в реверсивных схемах индуктивных ПИП затруднена тем, что здесь необходимо добиться одновременного равенства не только реактивных, но также и активных параметров обеих частей схемы. Для дифференциальных фазочувствительных схем с выпрямителями характерны высокая чувствительность, ослабление влияния колебания питающего напряжения, применимость со вторичными приборами постоянного тока.

В автоматических системах, управляющих перемещением объектов, применяются контактные и бесконтактные путевые выключатели. Щелевые бесконтактные путевые выключатели (БПВ) имеют два ферритовых сердечника с расположенными на них обмотками. Сердечники и все остальные элементы схемы (кроме реле) размещаются в небольшом капроновом корпусе и герметизируются. На одном сердечнике расположена контурная обмотка и обмотка положительной обратной связи Lпс, а на другом сердечнике обмотка отрицательной обратной связи Lос. Обмотки обратной связи включены последовательно и навстречу друг другу. Электронная схема БПВ (рис.5) представляет собой автогенератор, у которого самовозбуждаются колебания в контуре Lк-С 3.

Чтобы эти колебания на затухали, нужно, чтобы в такт им открывался и закрывался транзистор. Обмотка Lпс способствует этому, а обмотка Lос, включенная навстречу, препятствует. Если в зазор между сердечниками попадает алюминиевых экран, то связь между обмотками Lк и Lос ослабевает, генератор самовозбуждается, открывается транзистор VT1, вызывая срабатывание реле КV

Если в зазоре экрана нет, усиливается влияние обмотки отрицательной обратной связи Lос, генерация колебаний прекращается и закрывается транзистор. Погрешность срабатывания щелевых бесконтактных выключателей на одном транзисторе составляет около 1 мм.

Многоэлементные БПВ имеют точность в десять раз больше.