3 РАСЧЕТ ДАТЧИКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

3.1 Общие сведения

В общем виде датчик Д (рисунок ) можно представить в виде чувствительного элемента ЧЭ и преобразователя Пр. Чувствительный элемент в системах автоматики и телемеханики выполняют функции «органов чувств». Он предназначен для преобразования контролируемой величины в такой вид сигналя , который удобен для измерения. В преобразователе, как правило, происходит преобразование неэлектрического сигнала в электрический сигнал .

Рисунок - Структура датчика

На вход датчика могут поступать как электрические, так и неэлектрические сигналы. С выхода датчика обычно получают электрические сигналы. Это вызвано тем, что электрический сигнал проще усилить и передавать на различные расстояния.

3.2 Потенциометрические датчики

Потенциометрические датчики служат для преобразования углового или линейного перемещения в электрический сигнал. Эти датчики выполнены в виде переменного сопротивления, подвижный контакт которого механически связан с преобразующим элементом. Обычно они представляют собой проволочный реостат, ползунок которого перемещается под воздействием контролируемого или регулируемого параметра.

Конструктивно потенциометрические датчики состоят из каркаса, намотанной на него проволоки и ползунка. Каркас датчиков изготовляется из текстолита, стеклотекстолита, пластмассы и алюминиевых сплавов, покрытых изоляционным лаком или оксидной пленкой. Каркасы, изготовленные из алюминиевых сплавов, более теплоустойчивы по сравнению с другими каркасами, что дает возможность повысить плотность тока в обмотке и в конечном итоге повысить чувствительность преобразователя. Каркасы могут изготавливаться в виде цилиндрической или плоской пластины, а также в виде кольца и сегмента. Проволока, которая наматывается на каркас, должна иметь большое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления. Для обмоток потенциометрических датчиков применяется константановая, манганиновая, нихромовая, новоконстантановая и другая проволока. Для датчиков с малым контактным давлением применяется проволока из сплавов серебра, платины и золота.

В технике чаще применяется потенциометрический датчик, который представляет собой реостат, включенный по схеме делителя напряжения (рисунок ).

Рисунок - Однотактный (нереверсивный) потенциометрический

датчик

а – схема включения; б – статическая характеристика в

режиме холостого хода

Выходное напряжение потенциометрического датчика в режиме холостого хода, когда нагрузка не подключена, определяется по следующей формуле:

, ()

где – ток, который протекает по датчику;

- сопротивление введенной части датчика;

- напряжение питания датчика;

- полное сопротивление датчика.

Предположим, что намотка датчика выполнена равномерно и сопротивление проволоки на единицу длины постоянно, тогда можно написать следующее выражение:

, ()

где – перемещение ползунка датчика;

- длина обмотки датчика.

Подставив в формулу () вместо выражения выражение , получим:

, ()

где - коэффициент передачи.

Из формулы () следует, что статическая характеристика потенциометрического датчика при работе в режиме холостого хода представляет собой линейную зависимость между выходным напряжением датчика и перемещением его ползунка. Рассмотренный датчик является однотактным (нереверсивным), так как дает возможность измерять перемещение ползунка только одного знака.

В технике часто применяются потенциометрические датчики, реагирующие на знак перемещения ползунка. Такие датчики получили название двухтактных или реверсивных.

Рисунок - Двухтактный (реверсивный) потенциометрический датчик

а – схема включения; б – статическая характеристика в

режиме холостого хода

В автоматике, телемеханике и вычислительной технике потенциометрические датчики чаще всего применяют для измерения угла поворота различных механизмов и приборов. В этих датчиках напряжение постоянного или переменного тока, снимаемое с зажимов, пропорционально углу поворота ползунка потенциометра. Такие потенциометрические датчики получили название функциональных.

К достоинствам потенциометрических датчиков можно отнести: конструктивную простоту, малую массу и небольшие габариты, возможность питания постоянным и переменим током, простоту регулировки и высокую стабильность.

3.3 Рассчитаем параметры нашего датчика

В данной схеме в качестве регулирующего устройства используется потенциометрический датчик типа ПД.

Параметры датчика:

- напряжение питания ;

- полное сопротивление датчика ;

- максимальное отклонение , что соответствует ;

- чувствительный элемент выполнен из серебра;

- диаметр проволоки для чувствительного элемента

- отклонение соответствующее заданному напряжению , что соответствует .

Рассчитаем чувствительность датчика.

, ( )

где - напряжение питания датчика,

- длина обмотки датчика.

Длину обмотки датчика можно найти:

, ( )

где - сопротивление датчика;

- удельное электрическое сопротивление серебра;

- площадь поперечного сечения проводника.

, ( )

где - диаметр проволоки.

( )

( )

( )

Вычислим коэффициент передачи:

, ( )

где - напряжение питания датчика,

- максимальный угол отклонения датчика.

( )

Зная коэффициент передачи можем рассчитать выходное напряжение.

, ( )

где - рабочее отклонение датчика

- коэффициент передачи

( )

Зная, что выходное напряжение датчика должно входить в пределы от 1,5 до 3,1В, что соответствует входное напряжения микросхемы, можем построить статическую характеристику датчика.

Рассчитаем ЭДС индукции в цепи.

, ( )

где - сила тока в цепи;

- ЭДС индукции;

- сопротивление датчика.

, ( )

где - выходное напряжение;

- сопротивление введенной части датчика.

, ( )

где - максимальное отклонение;

- отклонение соответствующее заданному напряжению;

- сопротивление датчика.

.