3dok_toa / Лабораторні роботи / Методичка 1 семестр 2011

пруга відповідали за знаком напрямку переміщення движка, то використовують потенціометр із середньою точкою (рис. 1, в), характеристика якого дана на рисунку 1, г.

Рисунок 1 - Потенціометричні датчики:

а - з прямим каркасом первинного перетворювача; б - статична характеристика датчика з прямим каркасом; в - із середньою точкою; г - статична характеристика датчика із середньою точкою; д - з кільцевим каркасом; е – безсхідчастий датчик кута повороту.

Для контролю кутових переміщень слугують датчики з каркасами у вигляді дуги окружності (рис. 1, д). В якості безконтактних датчиків кутових переміщень застосовують рідинні потенціометричні датчики (рис. 1, е).

Характеристику й чутливість потенціометричного датчику розраховують аналітично. Так, для схеми, зображеної на рисунку 1, а, можна скласти такі рівняння:

де RХ - опір х-й частини потенціометру;

R и l - повний опір і довжина намотки потенціометра;

ІП и ІД - струми в опорах RП і RХ; RП - опір вторинного приладу;

UСТ - стабілізована напруга живлення датчику.

Вирішуя рівняння відносно Іп, отримуємо:

Для датчика с кільцевим каркасом характеристики і чутливість визначають, виходячи з таких міркувань.

Напруга на вторинному приладі UП = UCT RХ/R, а струм ІП = UП/R. Якщо опір потенціометру R рівномірно розподілено по довжині окружності, то залежність струму в приладі від кута повороту α визначається рівнянням:

(5)

де r - радіус каркасу; м;

- опір обмотки, віднесений до одиниці довжини окружності, Ом/(м рад).

Чутливість датчику (А/рад):

(6)

Зона нечутливості дротового потенціометричного первинного перетворювача визначається діаметром проводу (помилкою ступінчастості), тому що при переміщенні рухомого контакту, рівному діаметру проводу, потенціал змінюється стрибками на значення UCT/n, де n - число витків потенціометра. У датчиків із суцільним напівпровідним покриттям потенціометра первинного перетворювача помилка ступінчастості відсутня.

Широко застосовуються в системах автоматиці потенціометричні датчики типів ПЛ1, ПЛ2, ПД, ПК, МУ та інші. Зовнішній вигляд деяких потенціометричних перетворювачів представлено на рисунку 2.

Рисунок 2 – Зовнішній вигляд потенціометричних перетворювачів

Паливомір реостатного типу БЕ-4М має такі технічні характеристики:

-максимальний кут повороту: 133°;

-лінійний хід: від 0 до 13 мм за допомогою важільної передачі;

-напрямок повороту – одно направлений, проти годинкової стрілки;

-температура навколишнього середовища: от -15 до +40°С;

-вибухозахист: CENELEC ЕЕхdIIСТ6 при навколишньої температури до +70

°С;

-пиловологозахист: IP65 у відповідності з IЕС 144;

-повний електричний опір: 35 Ом ± 10 %;

-максимальна напруга живлення постійного струму: 30 В;

-точність: ± 0,2…1 %.

Потенціометричні датчики відрізняє висока точність і стабільність характеристик, простота конструкції й малі габарити. Крім того, вони звичайно не мають пот-

12

реби в підсилювачах, оскільки їхня вихідна потужність достатня для роботи вторинних приладів. Завдяки цьому подібні датчики одержали широке розповсюдження в автоматиці.

На жаль, наявність рухомих частин і ковзного контакту первинного перетворювача знижує надійність потенціометричних датчиків.

Безконтактні малогабаритні шляхові вимикачі. Безконтактні вимикачі це не-

розбірна, неремонтопригідна конструкція. Взагалі вони складається із датчика й підсилювача. Датчик виконаний у вигляді гладкого пластмасового або металевого циліндру, усередині якого розміщена плата з елементами й трансформатором. Чутливим елементом є торцева поверхня феритової чашки з котушкою індуктивності. Внутрішня порожнина датчика залита епоксидним компаундом. Усередині корпусу змонтована плата з елементами й трансформатором. Вимикачі працюють за принципом керованого генератору. Комутація електричного ланцюга відбувається при влученні в зону спрацьовування вимикача керуючого елемента у вигляді пластинки, виконаної з низьковуглеродистої сталі. Схема підключення та зовнішний вигляд вимикача ВКБ представлено на рисунку 3, а техничні характеристики вимикачів типу ВКБ в таблиці 1 та технічні характеристики вимикачів серії ВКБ в таблиці 2.

Таблиця 1 - Технічні данні вимикачів типу ВКБ

Таблиця 2 - Технічні характеристики вимикачів серії ВКБ

Робоча зона дії керуючого елемента (КЕ) на спрацьовування вимикача ВКБ в нормальних умовах показана на рис. 4.

13

На рисунку 5, а показано приклад конструкції безконтактного датчика переміщення та його принципова електрична схема рис. 5, б.

Рисунок 5 - Схема конструкції та електрична принципова схема безконтактного датчика переміщення: 1 - металева платана, пов'язана з контрольованим механізмом і при його роботі, що рухається в прорізі корпусу датчика; 2 - проводи, що виходять із корпуса датчику

Датчик складається з генератору та підсилювачу зібраного на транзисторах. На генератор впливає зовнішня сталева пластина, пов'язана із частиною, що рухається, об'єкта регулювання, наприклад, з ланцюгом транспортеру. При введенні в зазор корпусу датчика металевої пластини між базовою і колекторною обмотками трансформатору відбувається зменшення коефіцієнту зворотного зв'язку генератора, що викликає зрив генерації. У підсилювачі нормально закритий вихідний транзистор відкривається, що дає сигнал на спрацьовування реле блоку керування.

Існують такі моделі безконтактних вимикачів – індуктивні ИКВ-22, ИД-5; безконтактні малогабаритні шляхові вимикачі – БСП, ВКБ, КВД-6, КВД-25, КВП- 8КВП-16 та інші

Тензометричні первинні перетворювачі. Тензометричний датчик (від лат.

14

tensus - напружений) (тензодатчик) - прилад для виміру деформації різноманітних конструкцій. Тензорезистивний датчик (рис. 6) складається із спеціальної пружної конструкції з закріпленим на неї тензорезистором і іншими допоміжними деталями та застосовується для непрямого виміру сили, тиску, вагу, механічних напружень, крутячих моментів та інше.

1 2 3 4

Рисунок 6 – Зовнішній вигляд сучасних тензодатчиків

1 – L6H5; 2 – H3F; 3 – B6F; 4 – B9H

Тензорезистор (від лат. tensus – напружений і лат. resisto - опираюся) - резистор, опір якого змінюється в залежності від його деформації. Із допомогою тензорезисторів можна виміряти деформації механічно пов’язаних з ними елементів.

Тензорезистор це тонкий дріт (рис. 7, а), який певним чином покладено і обклеєно з двох сторін плівкою або папером.

Рисунок 7 - Тензометричні первинні перетворювачі:

а - петльовий; б - статична характеристика тензоперетворювача; в – перетворювач для виміру кільцевих деформацій; 1 - плівка; 2 - проволока; 3 - виводи.

Тензоперетворювач приклеюють міцним клеєм до випробовуваної деталі. При деформації деталі змінюється електричний опір дроту в результаті зміни її геометричних розмірів і питомого опору. Зміна опору R дроту при її стиску й розтяганні пов'язане з відносною деформацією = l/l.

Коефіцієнт чутливості визначається рівнянням:

(7)

де R/R – відносна зміна питомого опору проволоки при її деформації;

-коефіцієнт Пуасона (для металів - 0,24...0,4);

-питомий опір металу;

l – довжина проволоки.

По обмірюваній відносній зміні опору дроту R/R обчисляють відносну деформацію l/l = R/R/k. Знаючі залежність l/l = f(F)), можна визначити зусилля F, яке змінюється в широкому діапазоні. Характеристика тензоперетворювача лінійна, тому його чутливість практично постійна (рис. 6, б).

15

Оскільки при роботі первинного перетворювача деформації піддається лише частина його довжини (наприклад, виключаються ділянки закруглення на рис. 6, а), то чутливість датчику k менш ніж коефіцієнт , який характеризує чутливість самого матеріалу тензоперетворювача.

Розміри тензоперетворювачів по довжині - від 2 до 150 мм, а по ширині - від 3 до 60 мм, опір - 100...200 Ом. Звичайно тензоперетворювачі включають у мостову схему і вони утворюють тензодатчик.

До недоліків датчиків такого типу варто віднести деяку температурну погрішність і малу чутливість. Термокомпенсація вимірювальних схем і застосування високочутливих вторинних приладів з підсилювачами дозволяють значною мірою перебороти ці недоліки. Найбільше поширення одержали нихромові та константанові дротові тензоперетворювачі, для яких k = 1,9...2,2.

Для виконання вимірів тензорезистори тензодатчиків підключають у мостові схеми, приклади таких схем наведено на рис. 8

Рисунок 8 – Схеми вмикання тензорезисторів: 1 – один; 2 і 3 - два; 4 - чотири тензорезистори

В останні роки замість металевих тензоопорів запропоновані напівпровідникові так звані тензоліти - тонкі стрижні прямокутного перетину з монокристалу кремнію.

Перевага їх - високий коефіцієнт чутливості (k = 125), недоліки - залежність їхнього опору від температури.

Деякі типи тензорезисторів: дротові на паперовій основі – 2ПКБ; дротові на плівці – 2ПКП; фольгові прямокутні – 2ФКПА; фольгові розеткові – 2ФКРВ, 2ФКРГ; напівпровідникові – КТД, КТДМ, КТЕ, КТЕМ; гедістори –Ю-8, Ю-12 які представлені на рисунку 9.

Номінальний робочий струм для дротових тензорезисторів складає приблизно 0,03 А, для фольгових – 0,5 А. Максимальна відносна деформація не перевищує 0,3

%.

В лабораторній роботі досліджується тензодатчик планарного типу серії РВ, яки використовується в вагах малої висоти, з межею виміру від 3,75 до 375 кг.

Датчики має високий клас захисту IP 65 і зберігає свої метрологічні характеристики при перевантаженні до 400%, що дозволяє виготовляти ваги з найбільшою межею важення (НМВ) від 6 до 600 кг.

Датчик використовується для виготовлення настільних низько профільних платформенних вагів III класу точності по ГОСТ 29329 і ГОСТ 24104.

16

Рисунок 9 – Зовнішній вигляд тензорезисторів а - дротові – петльові, б - виткові і з перемичками (в); г - фольгові – для виміру

одної компоненти деформації; д - трьох компонент і кільцевої деформації (е); 1 – дріт; 2 – виводи решітки; 3 – перемички; S – база датчику.

Тензодатчик типу РВ має такі технічні данні:

-найбільша межа виміру, кг - 3,75; 7,5; 15; 37,5; 75; 150; 375;

-найбільш межа важення, кг – 6; 15; 30; 60; 150; 300; 600;

-число повірочних інтервалів – 3000;

-робочий коефіцієнт передачі, мВ/В - 0,9 ± 0,1%;

-робочий температурний діапазон, °С – від -10... до +65;

-електричний опір, Ом - 990 ± 50;

-опір ізоляції, ГОм - більш 5;

-діапазон напруги живлення, В - 5...15

-клас захисту по ГОСТ 14254-96 - IP 65;

ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДУ

Лабораторний стенд складається з елементів, які представлені на рис. 10:

-первинних перетворювачів положення – аналогового типу потенціометричного PR1 (БЕ-4М), дискретного типу (ВКБ-08), тензодатчику PR2PR3;

-комутаційної апаратури SА1…SА6. SА1 – загальне включення лабораторного стенду, SА2 – перемикач підключення тензодатчиків для дослідів, SА3 – перемикач підключення потенціометричного первинного перетворювача положення БЕ-4М для дослідів; SА4 – перемикач підключення дискретного первинного перетворювача положення ВКБ-08 для дослідів; SА5 – перемикач на 3 положення для підключення вимірювального приладу РА для досліду різних первинних перетворювачів ("1" – ВКБ-08; "2" – потенціометричного; "3" – тензодатчика); SА6

– перемикач (з середнім положенням) підключення резисторів навантаження для дослідів потенціометричного первинного перетворювача;

17

Рисунок 10 - Принципова електрична схема стенду досліду первинних перетворювачів положення та зусіль

-резисторів - додаткових R1, R2 та балансних R3, R4 підключення тензодатчику;

-резисторів навантаження потенціометричного первинного перетворювача R8, R9

-джерел постійного струму (VD1…VD8, С1);

-проміжного реле KL1 та індикаторної лампи HL2;

-запобіжника FU; світлової сигналізації включення лабораторного стенду HL1;

-трансформатору живлення TV;

-вимірювального приладу (РА) з додатковими резисторами R5…R7 (режим вольтметру).

ВИКОНАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

1.Перевірити положення перемикачів SA2…SA3 (вимкнуто), SA5 та SA6 в положення "0";

2.Включити лабораторний стенд вимикачем SA1 (при цьому загориться індикаторна лампа (світлодіод) HL1);

3.Зробити досліди первинних перетворювачів.

3.1Дослід потеціометричного первинного перетворювача (ППП) PR1 типа БЕ-

4М.

3.1.1Встановити перемикач SA5 в положення "2" (вимір напруги 5 В).

3.1.2Включити перемикач SA3.

3.1.3Задаючись лінійним переміщенням в межах від 0 до 15 мм через заданий викладачем інтервал зняти характеристику ППП U = f(l) при прямому та оберненому ході по однойменних точках без навантаження.

3.1.4Задаючись лінійним переміщенням в межах від 0 до 15 мм через тиж інтервали зняти характеристику ППП U = f(l) при прямому та оберненому ході по однойменних точках з навантаженням R8.

18

3.1.5 Задаючись лінійним переміщенням в межах від 0 до 15 мм через тиж інтервали зняти характеристику ППП U = f(l) при прямому та оберненому ході по однойменних точках з навантаженням R9.

3.1.6 Дослідні дані занести до таблиці 3, за якими побудувати статичні характеристики з якими визначити статичний і динамічний коефіцієнти чутливості за виразами:

- для лінійної статичної характеристики передатний коефіцієнт первинного перетворювача визначається як співвідношення вихідної величини XВИХ до вхідної

ХВХ:

- для нелінійної статичної характеристики передатний коефіцієнт визначається як відношення збільшення вихідного параметру ХВИХ і збільшенню вхідного параметру ХВХ:

3.1.7Встановити перемикачі SA3, SA5 та SA6 в початковий стан

3.2Дослід безконтактного малогабаритного шляхового вимикача ВБК - 08.

3.2.1Встановити перемикач SA5 в положення "1" (вимір напруги 25 В).

3.2.2Включити перемикач SA4.

3.2.3Задаючись лінійним переміщенням в межах від 0 до 40 мм визначити точку включення та виключення шляхового вимикача ВБК-08 (контроль робити по світловому інікатору HL2 та по вимірювальному приладу "РА")

3.2.4Міняючи відстань через 1 мм (до 15 мм) між сталевою пластиною та площиною безконтактного малогабаритного шляхового вимикача ВБК-08 повтороти дослід підпункту 3.2.3, а результати занести до таблиці 4.

19

3.2.5 Дослідні дані занести до таблиці 4, за якими побудувати статичну характеристику шляхового вимикача ВБК-08 та визначити зону спрацьовування вимикача.

Таблиця 4 – Експерементальні дані шляхового вимикача ВБК-08

дослід відстань КЕ від площини ВКБ-08 включення відключення

1

…

n

3.2.6Встановити перемикачі SA4 та SA5 в початковий стан

3.3Дослід первинного перетворювача зусиля.

3.3.1 Встановити зусілля на тензодатчик рівним "0"

3.3.2Зовнішнім кільцем індикатору годинкового типу ИЧ-02 встановити цифрову шкалу на нульову відмітку (виміри робити по цифровой шкалі красного кольору).

3.3.3Встановити перемикач SA5 в положення "3" (вимір напруги 1 В).

3.3.4Включити перемикач SA2.

3.3.5При необхідності збалансувати вимірювальний міст із допомогою змінних резисторів R3 або R4 (вимірювальний прилад повинен показувати 0).

3.3.6Змінюя зусилля за вказаним викладачем інтервалом визначити переміщення вільного кінця тензодатчика по шкалі приладу ИЧ-02 та напругу по приладу РА.

3.3.7Дослідні дані занести до таблиці 5, за якими побудувати статичну

характеристику тензодатчику U = f( ).

Таблиця 4 – Експерементальні дані тензодатчику

3.2.6Встановити перемикачі SA2 та SA5 в початковий стан.

4.Виключити лабораторний стенд вимикачем SA1 (при цьому погасне індикаторна лампа (світлодіод) HL1).

5.Оформити звіт.

ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

Звіт повинний мати:

1.Тему і мету лабораторної роботи.

2.Стислі теоретичні дані по даній темі.

3.Схему досліду.

4.Статичні характеристики первинних вимірювальних перетворювачів.

5.Розрахунки по визначенню передатних коефіцієнтів для реостатного первинного перетворювача і зони нечуйності для бесконтактного перемикача.

6.Висновки по лабораторній роботі.

20