3. Измерительные цепи

Измерительные цепи с генераторными первичными преобра­зователями предназначены главным образом для усиления сиг­нала от датчика до уровня, достаточного для надежной передачи на требуемое расстояние и для регистрации. Основной задачей при проектировании является взаимное согласование смежных преобразователей по сопротивлениям их входных и выходных цепей.

Измерительные цепи с параметрическими преобразователями предназначены для преобразования изменения активного(резис­тор) или реактивного (индуктивность или емкость) сопротивле­ния в изменение напряжения или тока. Естественно, при замере реактивных сопротивлений обязательно использование источни­ка питания переменного тока. При замере активного сопротивления возможно применение питания как переменным, так и по­стоянным током. Окончательное решение принимается из сторон­них соображений: конструкции измерительного устройства и ре­гистратора, наличия источника питания переменного или посто­янного тока и т. д.

4. Контактные резистивные преобразователи

Контактными называются измерительные преобразователи, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется о замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. При этом естественной входной ве­личиной является пространственное перемещение, выходной величиной - ток в цепи, а характеристика имеет релейный ха­рактер.

Так как сопротивление контактного датчика меняется скачком и может принимать одно из двух значений, этот датчик является дискретным. Так как под действием входной величины меняется сопротивление датчика, он является параметрическим.

Простейший однопредельный контактный преобразователь (рис. 3.8, а) имеет одну пару контактов 1 и 2, замыкание которых произойдет при перемещении вверх штока 5. При этом активное сопротивление между контактами упадет от бесконечности до очень малого значения контактного сопротивления. Конструктивно шток устанавливается в направляющие 4 и прижимается пружиной 6 к контролируемому объекту 3. Погрешность срабатывания контактных преобразователей находится в пределах 1... 2 мкм. Попытки еще уменьшить погрешность успеха не имели.

Во избежание образования дуги или искры, разрушающих контакты, мощность тока в цепи не должна превышать 100 мВт. Это значит, что если звено цепи - приемник сигнала от датчика потребляет мощность 50...100 мВт, то можно снимать сигнал непо­средственно с датчика. В противном случае следует использовать усилитель на реле, транзисторах или тиристорах. Датчики этого типа широко применяются как конечные выключатели, датчики контроля попадания размера в поле допуска и т. д.

5. Реостатные и потенциометрические преобразователи

Реостатным преобразователем называют реостат, движок кото­рого перемещается щупом вслед за перемещением контролируе­мой точки объекта, т. е. преобразователи этого типа являются регулируемыми омическими сопротивлениями. Естественной входной величиной датчиков этого типа является перемещение движка. При последовательной схеме включения (см. рис. 3.6, а) дат­чик называется реостатным, перемещение движка реостата пре­образуется в изменение активного выходного сопротивления рео­стата или тока, являющихся естественными выходными величи­нами. При схеме делителя напряжения (схеме потенциометра) (см. рис. 3.6, г) датчик называется потенциометрическим первич­ным преобразователем, его естественной выходной величиной яв­ляется выходное напряжение.

Так как выходной величиной реостата служит сопротивление, датчик является параметрическим; сопротивление меняется плав­но при изменении входной величины (положения движка), дат­чик является аналоговым. Сопротивление реостата может зависеть от перемещения движка как линейно (чаще всего), так и по более сложному закону.

Основным требованием, предъявляемым к этим датчикам, яв­ляется обеспечение определенной однозначной зависимости между величиной сопротивления и перемещением движка.

Основными элементами реостатного датчика (рис. 3.8, б ) яв­ляются: каркас 3 из диэлектрика (дерево, текстолит, пластмасса) с нанесенным на него сопротивлением в виде обмотки 2 из проволо­ки, слоя полупроводника или плен­ки металла; подвижная токосъемная щетка 1, скользящая непосредственно по поверхности сопротивле­ния или по ряду соединенных с ним контактов.

На рис. 3.9 приведена конструк­ция потенциометрического датчика для измерения угловых перемеще­ний, состоящего из каркаса 3 с об­моткой 1, по которой ходит движок 2 с подвижным контактом 4.

На практике чаще других используются следующие материалы проволоки для намотки реостатных дат­чиков: константан, нихром и манганин, обладающие низкой стоимостью, высоким удельным сопротивлением, обеспечивающим высокую точность измерения, и широким температурным диапазоном. Кроме того, эти матери­алы стойки к износу и коррозии, что обеспечивает хороший кон­такт с движком.

Рис. 3.9. Потенциометрический датчик угловых перемещений: 1 - обмотка; 2 - движок; 3 - каркас; 4 - подвижный контакт

Щетки выполняют в виде проволок, лент или роликов из бронзы, серебра, платиноиридиевого сплава и других упругих материалов. Провод реостата должен быть покрыт эмалью или слоем окислов, изолирующих витки друг от друга. Вдоль траек­тории движка изоляция счищается, а сам провод полируется. Активное сопротивление реостата составляет десятки и сотни Ом при погрешности порядка 1 %. Индуктивное и емкостное сопротивления реостата малы, и ими можно пренебречь при частотах до 10 кГц. Сопротивление реостата меняется скачкообраз­но при переходе движка с одного витка на другой, соседний. Чтобы уменьшить погрешность квантования, увеличить разрешающую способность и сделать датчик практически аналоговым, число витков выбирают обычно не меньше 100. Для реостатных первичных преобразователей пригодны все виды измерительных цепей, из которых типичной является цепь потенциометрического включения.

Достоинствами реостатных датчиков являются:

• простота конструкции;

• высокий уровень выходного сигнала (напряжение - до несколь­ких десятков вольт, ток - до нескольких десятков миллиампер);

• возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе.

Недостатками этих преобразователей являются:

• невысокая надежность и ограниченная долговечность вследствие износа скользящего контакта и истирания обмотки;

• сравнительно большое усилие, необходимое для перемещения ползунка;

• опасность искрообразования на контакте обмотки с ползунком;

• относительно большие габаритные размеры.

Реостатные датчики применяются для измерения больших пе­ремещений (десятки миллиметров) с точностью до 0,1 мм. В автоматических системах движок реостата может быть механичес­ки связан с суппортом, клапаном или другим подвижным эле­ментом, положение которого требуется измерять и передавать в виде электрического сигнала. При перемещении элемента пере­мещается и движок, вызывая изменение тока и напряжения в цепи. Чем сильнее движок прижимается к обмотке, тем надеж­нее контакт, но больше усилие, требуемое для перемещения движка. Это вызывает определенные трудности при констру­ировании измерительного прибора, так как усилие, развиваемое чувствительными элементами (мембранами, поплавками и т. п.) часто невелико.