Первичные изм. преобразователи. Часть 2

противоположных сторонах упругого вала. Работа этих датчиков основана на использовании упругих деформаций кручения, вызываемых силами инерции маховой массы при ее вращении. Под действием ускорения скручивается упругий вал и изменяется сопротивление тензодатчиков. Выходное напряжение моста пропорционально ускорению. Диапазон измеряемых ускорений этого датчика составляет 3000—5000g. Собственная частота упругой системы 500 Гц.

Датчик применяется для измерения больших и кратковременных ускорений, так как имеет высокую частоту собственных колебаний и небольшую чувствительность.

Основными достоинствами проволочных датчиков являются: возможность их применения при измерении статических и динамических (в том числе ударных) деформаций; возможность использования для измерения вибрации с самыми низкими частотами; весьма малые габариты; простота конструкции; надежность крепления к детали при помощи клея различных марок (БФ-2, БФ-4, 192-И и др.); стабильность свойств датчиков в сравнительно большом диапазоне температур. Так, датчики из константановой проволоки, приклеенные клеем БФ-2 или БФ-4, могут применяться при температуре до 170° С и в схемах с термокомпенсацией дают вполне стабильные результаты измерения в диапазоне температур от - 40 до +70° С.

К недостаткам проволочных датчиков относятся: наличие индуктивной составляющей сопротивления датчика, которая препятствует применению его в цепях с повышенной частотой; возможность применения этих датчиков только в области упругих деформации проволоки и, наконец, их невысокая чувствительность. Последний недостаток при современном состоянии усилительной техники легко преодолим.

71

3.2. Реостатные проволочные преобразователи

Входной величиной реостатного преобразователя является линейное или угловое перемещение движка, а выходной — меняющееся сопротивление.

Для преобразования измеряемой механической величины в перемещение движка реостатного преобразователя используют различные преобразователи механического сигнала. Например, при измерении давления могут быть использованы такие механические упругие преобразователи, как мембраны, сильфоны, трубки Бурдона, спиральные и винтовые трубки с внутренним давлением и др. Широко применяют различного рода вспомогательные элементы, например рычаги, редукторы для измерения масштабов перемещений. Основное внимание в настоящей главе будет уделено реостатным преобразователям, или, как их часто называют, измерительным потенциометрам [2].

Преимуществом реостатных датчиков является возможность получения достаточно большого выходного сигнала, причем реостатный преобразователь датчика может питаться как постоянным, так и переменным током. Реактивное сопротивление реостатного преобразователя весьма мало (малы собственные индуктивности и емкости) в диапазоне частот, верхняя граница которого составляет несколько килогерц.

Большая величина выходного сигнала часто позволяет проводить дальнейшую его обработку и регистрацию без применения дополнительных усилительных устройств, снижающих точность результатов измерений.

Динамические свойства потенциометрических датчиков невысоки, поэтому их применяют для измерения статических или медленно меняющихся величин. Ограничение скорости изменения измеряемой величины вызвано наличием механических связей и значительных присоединенных масс в кинематических цепях датчиков, что создает большую инерционность и снижает (при сравнительно небольшой жесткости) собственную частоту датчика до 2—10 Гц. Другим важным

72

фактором, снижающим динамические свойства реостатных датчиков, является необходимость обеспечения устойчивого контакта между движком и обмоткой реостатного преобразователя. При больших скоростях перемещения движка возможна потеря контакта. Это явление особенно свойственно проволочным реостатным преобразователям, контактная дорожка у которых представляет собой волнообразную поверхность. Наличие механических вибраций при работе датчика увеличивает вероятность нарушения контакта. В этом случае имеет место явление «подскока» движка, особенно на резонансных частотах.

Стремление к обеспечению устойчивого контакта приводит к необходимости увеличения поджимающего усилия, что, в свою очередь, ухудшает динамические свойства. Это связано с увеличением усилия, необходимого для перемещения движка, что накладывает ограничения на интенсивность воздействия измеряемой величины. Искажение датчиком исследуемого или контролируемого процесса должно быть минимальным, в рамках допустимых погрешностей. Отсюда вытекает требование снижения усилия, прилагаемого ко входным элементам датчика. При проектировании необходимо принимать компромиссное решение, исходя из минимальной суммарной погрешности, вызываемой искажением исследуемого процесса и возможной кратковременной потерей контакта.

В настоящее время промышленность выпускает большое число прецизионных малогабаритных реостатных преобразователей (потенциометров) как однооборотных, так и многооборотных. Поэтому при проектировании реостатных датчиков открыты широкие возможности выбора унифицированного преобразователя. В тех случаях, когда по тем или иным соображениям промышленный преобразователь использовать нельзя, необходимо его спроектировать. Поэтому остановимся несколько подробнее на вопросах проектирования реостатных преобразователей.

Реостатный преобразователь (рис.3.2.1, а) состоит из каркаса 1, на который намотана изолированная проволока 2. По верхней грани каркаса,

73

часть боковой поверхности которого показана на рис.3.2.1, б, скользит щетка 3 движка реостата. Изоляция проволоки для обеспечения электрического контакта зачищена. Напряжение питания преобразователя подают к двум крайним зажимам, выходную величину снимают между одним из крайних зажимов и средним зажимом, соединенным с токосъемным кольцом 4, по которому скользит щетка 5. Приводной валик 6 электрически изолирован от остальных элементов движка.

Рис.3.2.1. Реостатный преобразователь

а - схема устройства; б - каркас; в - схема электрической цепи

Электрическая схема преобразователя показана на рис.8.2.1, в. Функция

Расчет реостатных преобразователей. Длину витка реостатного преобразователя приближенно можно определить по формуле:

74

В тех случаях, когда каркас профилированный (случай функционального реостатного преобразователя), витки располагают не перпендикулярно прямолинейной кромке каркаса, а под углом а, равным текущему углу

Для линейного преобразователя а = 0 и выражения (3.2.3) переходят в

(3.2.2).

Длину витка можно также определить, исходя из общего сопротивления преобразователя R0, диаметра d и удельного сопротивления ρ применяемого провода и числа витков n:

Диаметр провода определяем, исходя из допустимой плотности тока по формуле:

При расчете задаются рядом величин в формулах (3.2.5) и (3.2.6) и через них определяют другие.

Если параметры нагрузки заданы, то значение общего сопротивления преобразователя можно определить, исходя из допустимой погрешности линейности, ρ определяется выбором провода.

75

Вопросы расчета функциональных и многооборотных реостатных преобразователей достаточно подробно изложены в работе. Там же можно найти расчет электрических параметров металлопленочных преобразователей, в которых вместо проволоки используют тонкие слои высокоомного металла.

Материалы. Для изготовления обмоток реостатных преобразователей применяют большое число различных сплавов. Материал проволоки должен иметь высокое удельное сопротивление, малый температурный коэффициент сопротивления, обладать стабильностью характеристик во времени, высокой коррозионной стойкостью, высококачественной изоляцией, большой прочностью на разрыв. В реостатных преобразователях широко используют обмотки из константана, нихрома, манганина. Однако обмотки из этих материалов применяют в преобразователях невысокой точности. Это объясняется тем, что константан, например, имеет сравнительно невысокую температуру нагрева, нихром — большой температурный коэффициент сопротивления, а манганин быстро окисляется. Поэтому, когда требуется высокая точность и надежность в жестких условиях эксплуатации, применяют проволоку из благородных металлов. Наиболее пригодны сплавы на основе платины, золота, серебра, палладия. Такие сплавы химически нейтральны и не поддаются коррозии даже при высокой температуре.

Диаметр проволоки обычно колеблется от 0,03 до 0,3 мм. Стремление к миниатюризации приводит к использованию проволоки диаметром 0,01 мм.

При выборе материала каркаса учитывают его диэлектрические, антикоррозионные и антимагнитные свойства. Если требования к жесткости и точности размеров невысоки, то применяют различные неметаллические материалы: текстолит, гетинакс, эбонит, органическое стекло, прессованную керамику. Недостатки неметаллических материалов: гигроскопичность, низкая теплопроводность и теплоемкость. В случае высоких требований к жесткости и точности применяют каркасы из алюминиевых сплавов АМг, Д1, Д16 и др. Металлические каркасы изолируют различными лаками (в ряде

76

случаев с предварительным анодированием).

Важное значение в резистивных преобразователях имеет устойчивый контакт между токосъемным элементом движка и обмоткой, малое переходное сопротивление контакта и его стабильность. Качество контакта определяется главным образом применяемыми материалами. Материал щетки движка должен быть износоустойчивым, легко обрабатываться. При изготовлении щеток из неблагородных металлов приходится мириться с нестабильностью переходного сопротивления, которая вызывается перепадами температуры, влиянием примесей, содержащихся в воздухе, образованием оксидных пленок. Лучшими материалами являются благородные металлы (платина, палладий, иридий) и их сплавы (платинаиридий, палладий-иридий). Щетка может быть выполнена из нескольких жил проволоки или пакета пластин, часто также используют стержни цилиндрической формы. Контактное давление обеспечивается гибкостью движка и колеблется для различных конструкций щеток в пределах (3 - 100)*10-3 Н.

3.3. Применение реостатных датчиков для измерения механических величин

Наиболее часто реостатные датчики используют для измерения линейных и угловых перемещений и ускорений, а также статических давлений. В некоторых случаях реостатные датчики могут быть использованы для измерения линейных и угловых скоростей, при условии, что имеется отметчик времени, позволяющий определять время измеряемого линейного или углового перемещения [2].

Рассмотрим некоторые виды реостатных датчиков.

Датчики линейных и угловых перемещений. Реостатные датчики перемещений обычно используют для измерения перемещений от нескольких миллиметров до десятков метров и углов, от нескольких градусов

77

до 360°. В случаях измерения больших перемещений используют многооборотные реостатные преобразователи или однооборотные без ограничения крайних положений. В последнем случае, в процессе измерения регистрируется серия следующих друг за другом перемещений, соответствующих повороту движка преобразователя на 360°. Величина перемещения определяется как число полных оборотов движка плюс неполный последний оборот, выраженные в соответствующем масштабе, который, в свою очередь, определяется передаточным числом механической передачи между перемещающимся объектом и движком. Рассмотрим конструкцию двух реостатных датчиков линейных перемещений.

Рис.3.3.1. Датчик линейных перемещений штокового типа

Датчик линейных перемещений штокового типа, предназначенный для измерения линейных перемещений движущегося тела в диапазоне 5-200 мм, изображен на рис. 3.3.1.

Минимальное и максимальное значения пределов измерения определяются, в основном, требуемой погрешностью измерения и величиной механического поджатия штока к контролируемому объекту.

Датчик работает при температуре окружающей среды ± 500 С,

78

относительной влажности 98% при t = 200 С, вибрациях с ускорением до 300 м/с2 в диапазоне частот до 3000 Гц.

Погрешность измерения датчика в эксплуатационных условиях 2—3% от предела измерения.

Сопротивление резистивного элемента 1500 Ом.

Датчик состоит из корпуса 1, являющегося основным несущим элементом конструкции; штока — зубчатой рейки 2, воспринимающего измеряемый параметр; передаточного механизма, состоящего из системы зубчатых колес 3, 4, 5 и осуществляющего преобразование линейного перемещения во вращательное и передачу, с заданным передаточным отношением этого вращательного движения на ось 8 реостатного преобразователя; реостатного преобразователя, преобразующего вращательное движение передаточной системы в пропорциональный ему выходной электрический сигнал; кабеля с выходным разъемом. При перемещении штока от воздействия объекта измерения с помощью зубчатой рейки, нарезанной на штоке 2, и шестерни 3 происходит преобразование линейного перемещения штока во вращательное движение системы зубчатых колес. Последнее передается на ось 8 реостатного преобразователя, соединенную с передаточной системой кулачковой муфтой 6. На оси преобразователя расположена токосъемная пружина 9, щетка которой скользит по резистивному элементу 11. Электрический вывод с токосъемной пружины осуществляется через втулку 10 и припаянную к ней спиральную пружину 7, которая, кроме этого, обеспечивает возврат всей подвижной системы датчика в исходное состояние.

79