Архив ZIP - WinRAR / 41-50

41. Датчики електричних величин. Основні види та схеми включення

42. Магнітодіоди і магнітотранзистори. Принцип дії та схеми підключення

43. Датчики на основі ефекта Холла і Гаусса, приклади застосування

44. Кодові оптичні датчики положення. Способи унеможливлення помилок зчитуванн

45. Фотоелектричні датчики положення й переміщення. Растрові датчики положення

46. Принципи дії та класифікація оптичних датчиків

47. Робота сельсина у трансформаторному режимі та його характеристики. Магнесини

48. Конструкція та застосування обертових трансформаторів. Багатополюсні обертові трансформатори

49. Синусний обертовий трансформатор та СКОТ

50. Індукційний редуктосин та індуктосин. Принципи дії та застосування

41

Датчики електричних величин.

У системах автоматики контрольованими й регульованими параметрами є не тільки механічні величини - кут повороту, швидкість, прискорення, але й електричні величини, такі як струм, напруга, ЕРС, потужність. Для вимірювання цих параметрів використовуються відповідні датчики й схемні рішення. . Найпоширенішими є резистивні датчики, датчики Холла й трансформаторні датчики.

Резистивні датчики. Чутливим елементом резистивного датчика є резистор спеціального виконання (шунт), включений у коло послідовно навантаженню. Спад напруги на резисторі, пропорційний вимірюваному струму, надходить на, нормувальний перетворювач для подальшої обробки й перетворення. Такий датчик працездатний у колах змінного й постійного струму, відрізняється простотою й точністю, але не забезпечує гальванічної розв'язки електричних кіл.

Шунти з номінальними опорами від 0,001 до 100 Ом потужністю до 5 Вт і допуском від ±0,5 до ±5 % випускає цілий ряд виробників. Номінальний опір, розсіювана потужність, і температурний коефіцієнт опору резистивного датчика обираються виходячи з реальних умов експлуатації. Уважається, що максимальний спад напруги на вимірювальному резисторі не повинен бути більше 200 мВ, при цьому зміна опору датчика через саморозігрів не повинно перевищувати 0,1 %. При виробництві струмовимірювальних резисторів особлива увага приділяється зниженню їх паразитної індуктивності, що суттєво впливає на частотні властивості датчиків. Для перетворення вихідної напруги резистивных датчиків і гальванічної розв'язки кіл необхідні спеціалізовані мікросхеми.

Для контролю змінних струмів і напруг використовуються вимірювальні трансформатори струму й напруги. Як приклад на рис. 6.35 показана схема вимірювання струму й напруги в електроприводі змінного струму.

Рис. 6.35. Датчики струму й напруги в електроприводі змінного струму

Датчик струму складається із трансформатора струму ТА, випрямляча UZ1 і Rc-Фільтра. Вихідний сигнал датчика пропорційний струму I фази електродвигуна M.

Датчик напруги включає до свого складу трансформатор напруги TV, випрямляч UZ2 і Rc-Фільтр. Вихідна напруга датчика пропорційна напрузі U, що подається на обмотки статора електродвигуна.

Сучасні трансформаторні датчики струму є інтелектуальними пристроями, у які виробники вбудовують нормувальні перетворювачі перетворювачі, аналого-цифрові перетворювачі й інтерфейсні схеми. Компанія CR Magnetics розробила серію трансформаторних датчиків струму CR4100, що дозволяють вимірювати діюче значення змінного струму до 150 А с підвищеним вмістом гармонік. Датчики мають потенційний (0...5 В) або струмовий (4...20 мА) вихід. Смуга робочих частот датчиків — від 20 Гц до 5 кГц, напруга ізоляції 2 500 В. Крім того, компанія CR Magnetics випускає одно, двох- і трихканальні цифрові датчики струму серії Data Stream з інтерфейсом RS485, розраховані на струми до 25 А. Вбудований аналогоцифровий перетворювач має роздільну здатність 16 біт. Швидкість передачі даних по інтерфейсу — до 19 200 біт/с.

Датчик напруги на ефекті Холла (ДНХ) призначений для вимірювання напруг постійного струму, змінного струму промислової частоти з гальванічною розв'язкою силового ланцюга й ланцюгів контролю.

Датчик ДНХ (рис. 6.35) складається із замкненого магнітопроводу із зазором і обмотками Wвх й Wк, датчика Холла й електронного підсилювача. До вимірюваної напруги U датчик підключається через вхідний резистор Rвх, що виконує функції струмозадавального опору, що встановлює номінальний струм Івх через обмотку Wвх при номінальному значенні вимірюваної напруги.

Рис. 6.35. Датчик напруги на ефекті Холла.

Rвх – вхідний резистор для настроювання вхідного струму Івх; МЗ – магнітопровід із зазором; Wвх Wк–

вхідна й компенсаційна обмотки; ДХ – датчик Холла; ЕБ – електронний блок (підсилювач); , U ж

– напруга, відповідно, вимірювана на виході датчика Холла, на виході датчика напруги, джерела живлення.

Магніточутливий датчик Холла закріплено у зазорі магнітопроводу, а його вихідна напруга Uх подається на вхід електронного блоку.

При протіканні по вхідній обмотці струму Івих, пропорційного вимірюваній напрузі, U магнітопроводі виникає магнітне поле. Датчик Холла, реагує на це поле і створює напругу Uх, пропорційну струму у вхідному колі. Вихідний сигнал з датчика Холла підсилюється електронним підсилювачем і подається у вигляді сигналу Iзв негативного зворотному зв'язк U за струмом в компенсаційну обмотку Wк. Виникаюче при цьому магнітне поле компенсаційної обмотки компенсує магнітне поле вхідної обмотки, тобто вимірювання напруги здійснюється за компенсаційною схемою, що забезпечує високу точність роботи датчика: у діапазоні вимірювання напруги 60-600 В похибка вимірювання не перевищує 1 %. Струмовий вихід Івих ДНХ навантажується таким опором Rн, щоби отримати напругу, зручну для подальшого використання: при номінальному вихідному струмі 40 мА й опорі Rн = 150 Ом на виході датчика напруга буде дорівнювати 6 В.

Датчик струму на ефекті Холла (ДСХ) призначений для вимірювання постійного або змінного струмів з гальванічною розв'язкою силового кола від кіл управління. Устрій і принцип дії ДСХ практично такі ж, як у датчика ДНХ, за винятком вхідного кола: у датчику струму функції вхідного кола виконує силова шина, по якій протікає вимірюваний струм. Шина охоплюється замкненим магнітопроводом із зазором, у якому розміщається датчик Холла. Вимірювання струму здійснюється також за компенсаційною схемою, як і в датчику напруги.

42

Магніторезистори – це електронні компоненти, дія яких заснована на зміні електричного опору напівпровідника або металу при впливі на нього магнітного поля.

Їхня дія заснована на ефекті Гаусса, який характеризується зростанням опору магниторезистора при поміщенні його в магнітне поле.

Конструктивно магниторезисторы випускаються в монолітному і плівковому виконанні. Магніторезистори можуть працювати при постійному і змінному магнітному полі із частотою до 1 мГц.

Найбільшу чутливість магніторезистори мають у напрямку, перпендикулярному до його поверхні. Монолітні магніторезистори використовують для реєстрації сильних магнітних полів (100 – 1000 мтл), а тонкопленочные – слабких до 10 – 30 мтл (Рис.6.32).

Рис. 6.32. Залежність опору тонкоплівкового магніточутливого елемента

Включають магніторезистори як частину резистивного подільника або в напівміст на вході підсилювача напруги або компаратора, що забезпечують на виході лінійно наростаючий або імпульсний сигнал з рівнем ТТЛ (мал. 8.13).

Магнітодіод – напівпровідниковий прилад з р – n переходом, у якого між областями с n и р провідностями знаходиться область високомного напівпровідника, база, ширина якої d більше довжини пробігу носіїв. Якщо магнітодіод, через який протікає струм, помістити в поперечне магнітне поле, то

відбудеться збільшення опору бази. Конструкція сплавного магнітодіода, його вольт-амперна характеристика й схема включення наведені на рис. 6.33.

При використанні магнітодіоди слід установлювати таким чином, щоби силові лінії джерела керуючого магнітного поля були перпендикулярні бічним граням напівпровідникової структури.

Рис. 6.33. Принцип дії магнітодіода: а – конструкція переходу, б – вольт-амперна характеристика, в – схема включення.

Магнітотранзисторами (МТ) називаються транзистори, оптимізовані для одержання максимальної чутливості колекторного струму до магнітного поля.

43

Більшість сучасних ПМП використовують у своїй роботі ефекти Холла й Гаусса Перетворювачі першого покоління (дискретні) дозволили підвищити надійність і експлуатаційні характеристики багатьох пристроїв автоматики, зменшити їхні габарити й вартість. Досягнення в області технології виготовлення напівпровідникових приладів призвели до виникнення нового напрямку техніки, яке за аналогією з фотоелектронікою назвали магнітоелектронікою.

Інтенсивний розвиток магнітоелектроніки пояснюється такими достоїнствами ПМП, як електрична розв'язка вхідних і вихідних кіл апаратури, безконтактне перетворення малих механічних переміщень, детектування величини й напрямку індукції магнітного поля, безконтактне вимірювання струмів і напруг, створення безконтактних комутаторів електричних кіл, тощо.

Ефект Холла застосовується для вимірювання напруженості магнітного поля. Датчики, що використовують ефект Холла, належатьдо генераторних. Ефект Холла має місце у всіх матеріалів, хоча й у різному ступені. Практично ж промислові датчики такого роду реалізують на базі напівпровідників.

Елементи Холла (ЕХ) конструктивно являють пластину з напівпровідникового матеріалу товщиною d, по чотирьом сторонам якої розташовані контакти (рис. 6.31). Контакти 1 і 2 називаються «струмовими», а контакти 3 і 4 «вихідними» або «вимірювальними» (холловськими).

Рис. 6.31. Принцип роботи елемента Холла

Коли через контакти пластини 1 і 2 пропускають струм управління Iуп, а перпендикулярно її площини спрямоване магнітне поле В, то з контактів 3 і 4 знімають напругу Холла Uн, В/(А Тл)

U н (Rн / d )( I уп В),

де Rн – стала Холла; d – товщина елемента; Iуп – індукція магнітного поля.

Для виготовлення елементів Холу використовують кремній, германій, арсенід індію, арсенід галію, тобто напівпровідникові матеріали, що мають високу рухливістю носіїв заряду.

Промисловість випускає датчики Холла з різних матеріалів з різною магнітною чутливістю від 0,01 до 3 (В/Тл) і діапазон робочих температур від –270 до +180 оС.

44

Кодові оптичні датчики положення

Розглянуті раніше датчики формують вихідний сигнал у вигляді послідовності імпульсів. Однак у більшості випадків ДПП є елементами цифрових систем управління, що вимагає перетворення вихідного сигналу в цифрову форму. Саме такий сигнал формується в кодових фотоелектричних датчиках (КОДП). Оптичні системи КОДП і РОДП побудовані схожим способом, а шкала, що кодує, КОДП являє собою скляну основа з нанесеною на ній кодовою маскою. Маску виконано у вигляді кількох (звичайно до 20) доріжок із прозорими й непрозорими сегментами. Кількість доріжок, як правило, визначає розрядність вихідного двійкового коду. У момент знімання інформації промінь, проходячи через прозорі сегменти кодових доріжок шкали й обмежуючу щілинну діафрагму, освітлює фотоприймачі (фотодіодні лінійки) (рис. 6.29).

Рис. 6.29. Вигляд кодової маски.

Відсутність сигналу з фотоприймача відповідає двійковому нулю, наявність – двійковій одиниці. У результаті кожному переміщенню відповідає певна комбінація двійкових одиниць і нулів, що є його цифровим кодом.

Вид конструктивної схеми КОДП визначається, головним чином, числом розрядів шкали й способом кодування й зчитування. У КОДП, найбільше часто використовуються дві схеми: КОДП із прямим двійковим кодом і КОДП із кодом Грея.

Шкали із прямим двійковим кодом рис.6.29 являють собою оптичні рейки або диски, розділені на рівновеликі ділянки - смуги для рейок і сектору - для дисків, на яких записані бінарні слова, що відповідають прямому двійковому коду. Число ділянок N визначає роздільну здатність КОДП: a = L/N або a = 3600/N . (Тут L - довжина рейки).

Незважаючи на простоту кодування й зчитування шкалам зі звичайним двійковим кодом притаманний суттєвий недолік, пов'язаний з появою помилкових кодів. Ця особливість обумовлена неможливістю виготовлення ідеальних шкал і виявляється під час руху шкали, у момент зміни «1» на «0» або «0» на «1» одночасно в декількох розрядах. Так, при зміні коду 7 на 8, тобто 0111 на 1000 відбувається заміна значень відразу в чотирьох розрядах. Якщо ж, випадково ( через похибки шкали), наприклад, в 2 розряду, не відбувається зміна «1» на «0», тоді замість значення «8» буде зчитано «10» (1010). Суттєво те, що величина помилки перевищує ціну поділки шкали, яка дорівнює одному молодшому значущому розряду (МЗР). Імовірність виникнення неоднозначності зчитування інформації в КОДП особливо велика при високих швидкостях руху шкали.

Для усунення неоднозначності зчитування застосовуються спеціальні методи зчитування й спеціальні коди. Більшість КОДП, що випускаються промислово використовують код Грея, при якому помилка зчитування не перевищує величини МЗР, незалежно від того, у якому з розрядів відбулася помилка (рис.6.30). Недоліком датчиків, що використовують шкали з кодом Грея, є необхідність подальшої дешифрації кодів Грея в стандартний двійковий код.

Для перетворення числа із двійкового коду в код Гріючи використовують вираз:

gk = bk+1 bk (mod 2),

де число у двійковому коді, представлене, як B = bn bn-1 ... b2 b1, а в коді Грея як G = gn gn-1 ... g2 g1.

Рис. 6.30. Шкала з кодом Грея.

Промислово випускаються одношкальні й двухшкальные КОДП. Найсучасніші датчики першого типу мають 12 … 16 розрядну шкалу, двухшкальные КОДП містять дві 7… 9 розрядних шкали. І та й інша схеми дозволяють одержати 16 розрядний двійковий код і гарантувати розв'язну здатність до 20 ".

Деякі моделі КОДП представлені в табл.. 6.2.

Таблиця 6.2 Приклади промислових КОДП

-15

717

200

Достоїнства КОДП пов'язані з можливістю безпосереднього одержання двійкового коду й високою точністю вимірювань.

Недоліки цих датчиків обумовлені технологічною складністю й високою вартістю, а також значними габаритами.

45

Фотоелектричні датчики положення й переміщення

Сучасні оптичні датчики положення (ОДП), або енкодери забезпечують найвищу роздільну здатність, надійність і точність. Для них характерна незалежність метрологічних параметрів від навантаження, а також висока перешкодозахищеність.

Основою ОДП є оптична система, що включає джерело світла, кодувальний елемент (диск або лінійка) і блок фотоприймачів. У якості джерела світла використовуються оптронні пари й освітлювачі у вигляді ламп розжарення з вольфрамовою ниткою, або потужних світлодіодів. Для забезпечення рівномірної освітленості області кодувального елемента, застосовуються колімаційні лінзи. Самим відповідальним вузлом ОДП, найбільшою мірою визначальним його характеристики, є диск, що кодує, на якому з високою точністю фотоспособом виконана маска. Тип маски обумовлює спосіб кодування.

Зазвичай використовують кодувальні диски, на доріжках яких по колу розміщається до 2500 оптичних сегментів. Якщо ж використовувати лампи зі спеціальною тонкою ниткою розжарювання, або світлодіоди, то на диску з діаметром 100 мм можна розмістити понад 5000 таких сегменти.

ОДП класифікуються по двом основним ознакам.

Нагромаджувальні (циклічні) перетворювачі використовують датчик і рахункову систему, що підсумовує прирости, а також репер (мітку), відносно якого ці прирости підсумовуються.

Датчики абсолютних значень не містять репера й виконуються або одношкальними, або у вигляді систем грубого й точного відліку.

46

Оптичні датчики.

Схема будь-якого оптичного датчика (рис.6.27) складається з наступних елементів: випромінювач (В), приймача випромінювання (П). середовища передачі (М), організованого оптичного каналу (ОК) і об'єкта. Вимірюваний параметр об'єкта змінює характеристику оптичного каналу, яка виміряється приймачем.

Рис. 6.27. Схема оптичного датчика.

Усі оптичні датчики можна поділити на три групи:

1.датчики наявності й відсутності,

2.датчики положення й переміщення,

3.датчики параметра середовища, що впливає на прозорість/поглинання.

Прикладом датчиків першої групи є датчики серії А3. Оптичні датчики серії А3 можна і поділити на три типи:

1. Оптичні вимикачі, які випромінюють і приймають відбите від об'єкта світло, що перебуває в зоні дії датчика. Як тільки вловлюється певна світлова енергія, на виході встановлюється відповідний логічний рівень. Величина дистанції від датчика до об'єкта залежить від розмірів об'єкта, від його кольору, шорсткості і т.д. і може сягати 2м. Конструктивно випромінювач і приймач виконані в одному корпусі.

2. Датчики що випромінюють і приймають світло, відбите від спеціального рефлектора і при перериванні променя об'єктом формується вихідний сигнал. Дальність дії залежить від стану середовища (пил, дим і т.д.) і може сягати 5 м. Конструктивно випромінювач і приймач виконані в одному корпусі.

3. Датчики наскрізного типу, які мають і конструктивно розділені джерело світла й приймач, розташовані співвісно один напроти одного. Будь-який предмет, що потрапляє в зону світлового потоку перериває його й викликає зміну вихідного логічного рівня. Дальність дії може досягати 20 м.

47

Робота сельсинів у трансформаторному режимі

Найпростіша трансформаторна система синхронного зв'язку (Рис. 10.3) складається з двох сельсинів — приймача й датчика, з'єднаних лінією зв'язку, підсилювача і виконавчого двигуна, вал якого механічно з'єднаний з валом ротора сельсина-приймача (зворотний механічний зв'язок).

Рис. 10.3 Трансформаторна система синхронного зв’язку.

Однофазна обмотка збудження сельсина-датчика (ОЗД) підключається до мережі змінного струму. Струм цієї обмотки створює пульсуючий магнітний потік Фзд, який, зчіплюючись із обмоткою синхронізації, наводить у її фазах наступні ЕРС:

АД = ф д; ВД = ф cos( д − 120о) ; СД = ф cos( д − 240о)

де Ефmax — максимальна ЕРС. що наводиться магнітним потоком в однофазній обмотці збудження датчика.

Значення цих ЕРС залежать від розташування фаз обмотки синхронізації відносно обмотки збудження.

Під дією ЕРС ЕАД, ЕВД, ЕСД(ЕфД) у з'єднані між собою одноіменних фазах обмоток синхронізації датчика й приймача, а також у лінії зв'язку виникають струми ІА, Ів, ІС (Іф), які визначаються значеннями відповідних ЕРС, а також повними опорами фаз датчика ZфД. приймача ZфП і лінії зв'язку ZЛ:

ф = фД/( фД + фП + Л).

За умови, що опір фази

ф = фД + Л/2 = фП + Л/2

отримаємо:

ф = фД/(2ф).

У двополюсному сельсині магніторушійна сила (МРС) фази (амплітуда її першої гармоніки) може бути знайдена за формулою:

ф = 1,8ф ,

де w — число витків в обмотці фази; kw — коефіцієнт, що залежить від конструкції обмотки.

Потоки фаз обмоток приймача ФАП, ФВП, ФСП складаючись, утворюють результуючий магнітний потік ФП обмотки синхронізації приймача, напрям якого залежить від кута непогодження до обмотки збудження приймача (ОЗП). Потік Фп, пульсуючи із частотою мережі, наводить у вихідній однофазній обмотці приймача ЕРС, що є вихідною напругою приймача Uвих.

Погодженим положенням сельсинів у трансформаторній системі синхронного зв'язку називається таке положення роторів, при якім вихідна напруга приймача Uвих дорівнює нулю. На відміну від погодженого положення сельсинів в індикаторній системі в цьому випадку поворот ротора сельсина-приймача становить 90°. Внаслідок цього за початок відліку кутів у сельсині-приймачі приймається точка на осі, перпендикулярній осі однофазної вихідної обмотки (див. Рис. 10.3).

Сельсин-приймач у трансформаторній системі синхронного зв'язку самостійно не відпрацьовує заданий датчиком кут αд, а лише виробляє ЕРС вихідної обмотки, що змінюється за законом синуса залежно від кута непогодження θ. Відпрацьовування заданого датчиком кута — поворот ротора сельсина-приймача на кут αп = αд — здійснюється за допомогою виконавчого двигуна.

При виведенні ротора сельсина-датчика з погодженого положення (повороті на деякий кут αд = θ) на вихідній обмотці сельсинаприймача з'являється напруга Uвих. Ця напруга подається на вхід підсилювача, а потім на обмотку управління виконавчого двигуна.

Ротор двигуна починає обертатися, повертаючи при цьому ротор сельсина приймача, з яким він механічно зв'язаний. Разом з ротором приймача повертається в просторі і його магнітний потік Фп; при цьому змінюються потокозчеплення з вихідною обмоткою і її ЕРС (вихідна напруга Uвих). Ротори двигуна й сельсина-приймача повертаються доти, поки ротор сельсинаприймача не повернеться на заданий датчиком кут αп = αд і сельсини не займуть погоджене положення, у якому потік Фп перпендикулярний осі вихідної обмотки ОЗП і вихідна напруга сельсина-приймача Uвих, а отже, і напруга на підсилювачі й обмотці управління виконавчого двигуна, дорівнюють нулю.

На відміну від індикаторної системи синхронного зв'язку по проводах лінії зв'язку трансформаторної системи завжди, навіть у погодженому положенні, протікають струми.Сельсини-приймачі в трансформаторній системі живляться не від мережі ( як це має місце в індикаторній системі), а від обмотки синхронізації датчика.

Магнесин безконтактний датчик кутового положення вала. Принцип дії аналогічний сельсіну зы збудженням ротора. Застосовується для дистанційної передачі показань вимірювальних приладів і в інших пристроях, де допускається незначне навантаження на валу приймача (зокрема, у магнітних компасах).

Система для дистанційної передачі складається з магнесина-датчика й магнесина-приймача, які являють собою тороїдальні електромагніти змінного струму (статори) з осердями з низькокоерцитівного матеріалу, що живляться від загального джерела й з'єднані між собою проводами ( тобто виконана лінія зв'язку). У якості рорторів використовуються постійні магніти. У випадку ідентичних магнесинів при будь-якому повороті осі магнесина датчика вісь магнесина-приймача повертається на той же кут.