Измерительные преобразователи (датчики)
Ни одна система управления не может работать без информации о состоянии объекта управления и его реакции на управляющее воздействие. Элементом систем, обеспечивающим получение такой информации, является измерительный преобразователь-датчик.
Число типов датчиков значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.
Для большинства датчиков характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений, в виду того, что электрические сигналы можно просто и быстро передавать на большие расстояния, электрические величины легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код, позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность.
В качестве классификационных признаков датчиков можно принять многие характеристики: вид функции преобразования; род входной и выходной величины; принцип действия; конструктивное исполнение.
По виду используемой энергии датчики можно подразделить на электрические, механические, пневматические и гидравлические. В зависимости от вида выходного сигнала: аналоговые, дискретные, релейные, с естественным или унифицированным выходным сигналом.
По характеру преобразования входной величины в выходную: параметрические, генераторные, частотные, фазовые.
По виду измеряемой физической величины: линейных и угловых перемещениях, давления, температуры, концентрации веществ и т.д.
Принцип действия параметрических преобразователей заключается в преобразовании неэлектрических входных величин в параметры электрических цепей: сопротивление R, индуктивность L, емкость С, взаимоиндуктивность М. Для питания этих преобразователей требуются внешние источники. К таким датчикам относятся: резистивные, индуктивные, трансформаторные, емкостные преобразователи.
Генераторные преобразователи преобразуют входные величины в ЭДС. Они не требуют энергии дополнительных источников питания.
Это индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические преобразователи.
Фазовые и частотные преобразователи могут быть как параметрическими, так и генераторными.
Резистивные измерительные преобразователи
Реостатные — выполнены в виде реостата, подвижной контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины. Чаще всего реостатный датчик включается в измерительную систему по схеме потенциометра, их иногда называют потенциометрическими датчиками.
Емкостные преобразователи
... варикондами. Емкостные датчики можно разделить на две основные группы - датчики параметрические (недифференциальные) и датчики дифференциальные. В схемах с параметрическими датчиками происходит преобразование входной неэлектрической величины (угла поворота оси ротора датчика) в электрическую выходную величину ...
Выходной величиной датчика является электрическое сопротивление функционально связанное с положением подвижного контакта. Такие датчики служат для преобразования угловых или нелинейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока, напряжения.
Они также могут быть использованы для измерения давления, расхода, уровня. Их часто используют также в качестве промежуточных преобразователей неэлектрических величин в электрические.
В устройствах автоматики широко применяются проволочные реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
К недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков кОм), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки.
Обмотку выполняют изолированным проводом виток к витку или с заданным шагом. В качестве провода применяют константан, манганин.
Датчик данного типа не реагируют на знак входного сигнала, работают как на постоянном, так и на переменном токе.
Тензорезисторы. В основе их работы лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.
Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствительности Кт, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника
Константан — Кт = 2
Нихром — Кт = 2,2
Хром — Кт = 2,5
Тензорезисторы используют для измерения давления жидкости и газов, при измерении упругих деформаций материалов: давлений изгибов, скручивания.
В качестве тензорезистивного материала можно использовать металлы с малым ТКС: манганин, константан, нихром, ртуть, высокотемпературные сплавы, полупроводниковые материалы: германий, кремний. Наибольшее распространение получили тензорезисторы из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые, последние более совершенны.
Угольные преобразователи. Их принцип действия основан на изменении контактного сопротивления между частицами угля при изменении давления. Их применяют для измерения усилий, давлений, малых перемещений. Различают угольные столбики и тензолиты.
Первые представляют собой набор из 10-15 отшлифованных шайб, изготовленных из электродных углей.
Характеристика угольного преобразователя не линейна, он имеет переменную чувствительность. Нестабильны в работе, характеристики зависят от температуры и влажности окружающей среды, качества подготовки поверхностей.
Вторые имеют малые размеры и массу. Их применяют для измерения быстроменяющихся и ударных напряжений в движущихся деталях небольшого размера, при этом они работают как на растяжение, так и на сжатие. Коэффициент чувствительности тензолитовых преобразователей больше, чем у тензорезисторов, и составляет К = 15 20.
Она выполняется в виде полосок, состоящих из смеси графита, сажи, бакелитового лака и других компонентов. Эти полоски наклеиваются на испытуемую деталь.
Резистивные преобразователи несмотря на присущие им недостатки до настоящего времени находят широкое применение.
|
Достоинство: независимость его точности от питающего напряжения |
резисторные датчики |
Для повышения чувствительности желательно увеличивать напряжение питания U0. Однако при этом растет мощность рассеяние датчика. |
||
Емкостные преобразователи. Принцип действия основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины
где — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
0 — диэлектрическая проницаемость вакуума;
- S — площадь пластины;
- толщина диэлектрика или расстояния между пластинами.
Емкостные датчики используют для измерения угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности концентрации и др.
В емкостных плоскопараллельных датчиках изменяется плоскость перекрытия S (перемененная площадь перекрытия) статическая характеристика линейна.
В емкостных преобразователях с переменным воздушным зазором характеристика не линейна.
Преобразователи и изменением диэлектрической проводимости среды между электродами широко используются для измерения уровня жидких и сыпучих веществ, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, для счета изделий, охранной сигнализации. Они имеют линейную статическую характеристику.
|
«S» |
«» |
(х) |
|
Емкость измерительных преобразователей в зависимости от конструктивных особенностей колеблется от десятых долей до нескольких тысяч пикофарад, что приводит к необходимости использовать для питания датчиков напряжения повышений частоты Гц.
Это существенный недостаток подобных преобразователей.
Диэлектрические свойства среды иногда изменяются под воздействием температуры или механических усилий. Эти эффекты также используются для создания соответствующих измерительных преобразователей.
Изменение проницаемости под действием температуры описывается выражением
где т — диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т; 0 — диэлектрическая проницаемость при температуре Т0;
- температурный коэффициент; .
Аналогичный вид имеет и зависимость от приложенного к нему усилия Р
где — чувствительность материала к относительному изменению диэлектрической проницаемости
Начальная емкость преобразователей тем больше, чем меньше зазор между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается диэлектрической прочностью межэлектродной среды и наличием силы электростатического притяжения пластин.
Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Они являются практически безинерционными элементами.
К достоинствам относятся: простота конструкции, малые размеры и масса, высокая чувствительность, большая разрешающая способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность получения необходимого закона преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния входной цепи на измерительную.
Недостатки: низкий уровень выходной мощности сигнала, нестабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды, влияние паразитных, емкостей. Для уменьшения потери мощности выходного сигнала согласную нагрузку с внутренним сопротивлением измерительной системы, т.е. схему настраивают на резонанс.
Реактивное сопротивление нагрузки выбирают равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика.
Электромагнитные преобразователи
Такие преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и в зависимости от принципа действия бывают параметрическими и генераторными.
К параметрическим относятся те, в которых преобразуется выходное механическое воздействие в изменение параметров магнитной цепи — магнитной проницаемости , магнитного сопротивления RМ, индуктивность обмотки L.
К генераторным — преобразователи индукционного типа, использующие закон электромагнитной индукции для получения выходного сигнала. Они могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин. Последняя группа — это тахогенераторы, сельсины, поворотные трансформаторы.
Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор , изменяя положение якоря, изменяя сечение S магнитного потока, поворачивая якорь относительно неподвижной части магнитной цепи, вводя в воздушный зазор пластину из ферромагнитного материала, соответственно уменьшая 0 и магнитное сопротивление зазора.
Измерительные преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности называют индуктивными.
Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности М, принято называть трансформаторными.
;
- В трансформаторных преобразователях изменение взаимоиндуктивности М можно получить не только при изменении магнитного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток вдоль или поперек магнитной цепи.
Если к замкнутой магнитной цепи преобразователя приложить сжимающие, растягивающие или скручивающие усилия, то под их воздействием изменится магнитная проницаемость 0 сердечника, что приведет к изменению магнитного сопротивления сердечника
и соответственно к изменению L или М.
Преобразователи, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленного изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называются магнитоупругими. Их широко применяют для измерения сил, давлений, моментов.
Если в зазоре постоянного магнита, или электромагнита, через обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку, то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС, равная
где — скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося с витками обмотки W.
Поскольку скорость изменения магнитного потока определяется скоростью перемещения обмотки в воздушном зазоре, то преобразователь имеет естественную входную величину в виде скорости линейных или угловых перемещений, а выходная в виде индуктируемой ЭДС. Такие преобразователи называют индукционными.
электрический датчик преобразователь измерение
Индуктивные датчики
Выходной сигнал получается в виде переменного напряжения, снимаемого с Rн. Питание от сети. Зазор меняется под воздействием перемещения якоря. Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора.
, — коэффициент преобразования
Наклон характеристики
Индуктивность обмотки и ток в ней могут изменяться за счет изменения зазора или его площади.
Погрешность определяется стабиль-ностью напряжения и частоты источника питания, влиянием температуры на актив-ное сопротивление обмотки и размеры рабочего зазора.
Чувствительность является нелинейной функцией
Анализ принципа действия и рассмотрения статической характеристики однотактного измерительного индуктивного преобразователя позволяет выявить его следующие недостатки:
- фаза выходного сигнала не зависит от направления перемещения якоря;
- для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор 0, что приводит к наличию остаточного (начального значения) напряжения Uвых.о;
— на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремящая притянуть якорь. При большой мощности выходного сигнала она может принимать существенные значения, что требует введение компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами, что усложняет устройство.
Из-за указанных недостатков однотактные индуктивные датчики используют только в качестве вспомогательных элементов.
Непосредственно для измерений применяют двухтактные датчики, которые включают по дифференциальной или мостовой схемам.
Дифференциальная схема включения индуктивного преобразователя требует использование трансформатора TV со средней точкой.
Оба сердечника идентичны по конструктивным и магнитным характеристикам. Расположенные на них обмотки W1 и W2 имеют также одинаковые параметры и включены последовательно — встречно.
В такой схеме ток нагрузки равен разности токов
При отсутствии входного сигнала зазоры 1 = 2. Равны и индуктивности L1 = L2, определяемые размерами зазоров. Выходное напряжение равно нулю.
При перемещении якоря на расстояние Х 1 и 2 становятся неравными, что приводит к изменению индуктивностей, а, следовательно, к дисбалансу токов I1 и I2, в результате через Rн течет ток Iн и появляется выходное напряжение.
Если изменяется направление перемещения якоря, фаза выходного напряжения сдвигается на 1800 относительно напряжение питания, являющегося опорным.
|
1 = 2 = 0 I1 = I2 |
1 > 2 I1 > I2 |
1 < 2 I1 < I2 |
|
Статическая характеристика двухтактного индуктивного измерительного преобразователя представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат под углом = arctg К.
С увеличением входного сигнала выходная характеристика отклоняется от линейной, что объясняется уменьшением индуктивного сопротив-ления L и приближение его к сопротивлению нагрузки. В связи с этим значение Х для реверсивных датчиков этого типа не должно быть больше (0,30,4)0. В этом случае выходную характеристику можно считать линейной.
Чувствительность таких датчиков зависит от напряжения и частоты источника питания, сопротивление нагрузки, индуктивности обмотки и начального зазора между якорем и ярмом.
Максимальная чувствительность будет, если индуктивное сопротивление катушки равно активному сопротивлению нагрузки. В этом случае
Мостовая схема по сравнению с дифференциальной имеет примерно в 2,8 раза меньшую относительную чувствительность при согласованной нагрузке.
Повышение питающего напряжения повышает чувствительность, но при этом растут размеры. Рост частоты уменьшает размеры датчика, но при больших значениях частот начинает сказываться влияние межвитковых емкостей, что затрудняет балансировку датчика в нейтральном положении.
Воздушный зазор в таких датчиках — от долей микрона до 3-5 мм.
Трансформаторные датчики
На сердечнике располагают две обмотки w1 и w2, они одинаковы и включены таким образом, что когда по ним протекает ток, создаваемые ими магнитные потоки Ф1 и Ф2 направлены встречно в центральном сердечнике, на котором расположена выходная обмотка w0.
В этом случае выходное напряжение
где f — частота сети.
Здесь 0 = const, а якорь перемещается вдоль зазора, значение L зависит от сечения магнитного сердечника, определяемого площадью S, которая изменяется при перемещении якоря.
В нейтральном положении при Х = 0 S1 = S2 = S0, Ф1 = Ф2, Uвых = 0.
При перемещении якоря влево на расстояние Х
Выходное напряжение датчика опишется линейной зависимостью , так как площадь перекрытия пропорциональна перемещению якоря Х, коэффициент преобразования
Трансформаторные датчики выгодно отличаются от индуктивных отсутствием гальванических связей между цепью питания и выходной цепью, а также простотой измерительных схем. Имеют относительно большую мощность, применяются в мостовых измерительных схемах для измерения перемещений, деформаций, контроля размеров.
Погрешность индуктивных трансформаторных датчиков определяется точностью исполнения геометрических размер сердечника, качеством материала, колебаниями напряжения и частоты питающего напряжения, изменениями температуры.
Достоинства:
- достаточно высокая выходная мощность, позволяющая обойтись без усилительных устройств;
- высокие чувствительность и разрешающая способность;
- простота конструкции;
- высокая надежность;
- малая масса и размеры при расчете на напряжение повышенной частоты;
- невысокая стоимость.
Недостатки:
- трудность регулировки и компенсации начального напряжения на выходе;
- необходимость экранирования, чтобы уменьшить уровень помех, что увеличивает размеры и массу;
- возможность работы только на переменном токе;
- ограниченность диапазона линейной статической характеристики.
Магнитоупругие преобразователи
Принцип действия основан на изменении магнитной проницаемости (или индукции В) ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений , обусловленных воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р.
Существует и обратное явление — магнитострикция, когда внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного тела.
В общем случае магнитоупругий эффект имеет нелинейный характер, зависит от значения напряженности приложенного поля Н.
Происходящее под действием механической нагрузки одновременно изменение магнитной проницаемости и линейных размеров сердечника можно использовать для измерения давлений, усилий моментов деформаций.
При всем многообразии конструктивных решений магнитоупругие преобразователи по принципу действия делятся на две группы: дроссельного и трансформаторного типа.
В первом варианте изменение сердечника приводит к изменению полного электрического сопротивления Z.
Во втором — используется взаимная индукция М, поэтому преобразователи трансформаторного типа являются по существу трансформаторами с переменным коэффициентом трансформации.
Достоинства:
- простая конструкция;
- низкая стоимость;
- возможность измерения больших усилий.
Недостатки:
- необходимость стабилизации питающего напряжения;
- высокая температурная нестабильность;
- питание от источника переменного тока.
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/transformatornyie-preobrazovateli/
Применяются для измерения статических, знакопеременных и быстро изменяющихся механических нагрузках.
Для увеличения чувствительности желательно, чтобы материал имел высокие 0 и малую ВS (пермаллой).
С целью увеличения чувствительности магнитопровод выполняется без зазоров.
Погрешность вызывается колебаниями питающего напряжение и магнитоупругим гистерезисом.
Для снижения погрешности питания датчика следует осуществлять от стабилизированного источника, а материал выбирать с узкой петлей гистерезиса.
Индукционные преобразователи
Это генераторные преобразователи постоянного тока. Для преобразования механического перемещения в электрический сигнал используется явление электромагнитной индукции — наведение ЭДС в электрическом контуре, связанном с изменяющимся магнитным потоком.
Наведение ЭДС происходит независимо от причин изменения магнитного потока: перемещается ли обмотка в постоянном магнитном поле; изменяется ли магнитное поле при неподвижной обмотке.
ЭДС индукции возникает и тогда, когда потокосцепление изменяется в результате изменения магнитной проводимости. Это используется в датчиках скорости.
Выходные напряжения таких датчиков пропорционально скорости вибрации подвижной части, если необходимо получить напряжение, пропорциональное амплитуде вибраций или ускорению, то выходное напряжение необходимо подвергнуть интегрированию или дифференцированию.
Чувствительность датчика может быть увеличена за счет увеличения индукции и числа витков.
где В — индукция в зазоре; l — длина витка перемещений обмотки; w — число витков; V — скорость перемещения витка, м / с.
Датчики скорости создают управляющие сигналы в зависимости от скорости. Более широкое распространение в машиностроении получили описанные ниже датчики.
Тахогенераторы служат для измерения частоты вращения. В зависимости от рода тока различают тахогенераторы постоянного и переменного тока. Тахогенераторы постоянного тока разделяют по способу возбуждения на тахогенераторы с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением. Те и другие представляют собой малогабаритную машину постоянного тока. Напряжение на зажимах якоря пропорционально частоте вращения вала якоря, т.е.
где Е — ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря; Ф — поток возбуждения; kе — конструктивный коэффициент машины.
Учитывая, что поток возбуждения постоянный, можно записать:
где .
По принципу действия тахогенераторы переменного тока делят на синхронные и асинхронные. Более широкое распространение получили асинхронные тахогенераторы. Конструкция асинхронного тахогенератора подобна конструкции двухфазного асинхронного двигателя. Тахогенератор имеет две обмотки: обмотку возбуждения ОВ и выходную обмотку. При вращении ротора в выходной обмотке наводится ЭДС, пропорциональная частоте вращения, т.е.
где — конструктивный коэффициент тахогенератора; Uв — напряжение обмотки возбуждения;
- частота вращения ротора.
Реле контроля скорости (РСК) состоит из постоянного магнита 3, который находится на валу (сигнал на входе), а также кольца 4, в котором расположена обмотка типа «беличье колесо» На другом валу, соединенном с кольцом, расположен толкатель 1, воздействующий на группу контактов К1, К2, которые возвращаются в исходное положение под действием пружин 2 и 5. При вращении вала РКС вращающийся магнит наводит в обмотке, расположенной в кольце ЭДС. Ток, протекая по обмотке, взаимодействует с магнитным потоком вращающегося магнита, в результате создается вращающий момент, который, поворачивая кольцо с толкателем, воздействует на контакты и вызывает их срабатывание.
Более надежным является асинхронный ТГ. Обмотка статора питается от источника переменного тока частотой 400-500 Гц. Обмотка R неподвижна и сдвинута относительно первой обмотки на 900 эл. Полый алюминиевый ротор 3 связан с делом двигателя, скорость которого контролируется.
При неподвижном роторе пульсирующий поток от обмотки 1 не вызывает ЭДС в выходной обмотке, так как оси обмоток сдвинуты на 900 эл. При вращении ротора 3 в нем возникают ЭДС и токи, пропорциональная частота вращения. Эти токи создают поперечное магнитное поле, изменяющееся с частотой питания. Возникающая в обмотке 2 под действием магнитного поля ротора ЭДС имеет амплитуду, пропорциональную угловой скорости ротора .
Достоинство такого датчика состоит в отсутствии счаток и независимость частоты выходного сигнала.
Если обмотку 1 питать от сети постоянного тока, то в обмотке 2 выдается ЭДС пропорциональная угловому ускорению вала.
Датчики угла рассогласования
Сельсины. Сельсины представляют собой трансформаторы с воздушным зазором, у которых при вращении ротора происходит плавное изменение величины ЭДС, наведенной в обмотке ротора. Обычно сельсины работают в паре: сельсин, связанный с ведомым валом, называют сельсином-приемником, а сельсин, связанный с ведущим валом, — сельсином-датчиком.
Однофазная обмотка сельсина расположена на статоре, а трехфазная — на роторе. Трехфазная обмотка состоит из трех катушек, сдвинутых относительно друг друга на 1200. Они уложены в пазы ротора и соединены в звезду. Концы фазовых (1ф, 2ф, 3ф) обмоток выведены на три контактных кольца, расположенных на валу ротора.
Различают два режима работы сельсинов. В том случае, когда пару сельсинов применяют для дистанционной передачи угловых перемещений, режим называют индикаторным (указывающим).
Первичные однофазные обмотки сельсинов подключают к сети однофазного переменного тока, а вторичные трехфазные обмотки соединяют друг с другом. При одинаковом положении роторов сельсинов относительно статоров в обмотках роторов ток не протекает. Если сельсин-датчик (СД) повернуть на некоторый угол, то все ЭДС роторов сельсинов сдвинутся по фазе. В результате сдвига фаз возникает разность ЭДС, которая вызывает протекание уравнительных токов по обмоткам роторов. При взаимодействии тока ротора с полем статора в сельсине-приемнике (СП) создается вращающийся момент, под действием которого ротор сельсина-приемника поворачивается до тех пор, пока вновь не восстанавливается равновесие ЭДС. В результате ротор сельсина-приемника поворачивается на тот же угол, на который был повернут ротор сельсина-датчика.
Вторым возможным режимом работы сельсинов является трансформаторный. В отличие от индикаторного режима в трансформаторном режиме к сети переменного тока подключается только однофазная обмотка сельсина-датчика, а однофазная обмотка сельсина-приемника является выходной: с нее снимается сигнал, пропорциональный углу рассогласования роторов сельсинной пары, и поступает на вход системы следящего привода или исполнительного механизма.
Под термином «датчик угла» понимают устройство, преобразующее угловую координату в электрическое напряжение.
В качестве датчика угла часто используют сельсин — электрические машины переменного тока малой мощности, имеющиеся две обмотки:
- однофазную (обмотку возбуждения);
- трехфазную (обмотку синхронизации.
По конструктивному исполнению сельсины делятся на два основных типа: контактные и бесконтактные.
В схемах датчиков углов входная величина (координата) — угол поворота ротора сельсина — , выходные величины — амплитуда напряжения или фаза угла напряжения по отношению к переменному опорному напряжению.
Режимы работы:
- амплитудный (трансформаторный);
- фазовый (индикаторный).
Используется для получения напряжения пропорционального углу рассогласования .
Амплитудный режим
Схема для измерения сигнала рассогласования в следящих системах на сельсинах
Угол = var; = const (0, ); Uвых = f ().
Обмотка возбуждения получает питание от сети переменного тока
Магнитный поток, действующий по осевой линии обмотки возбуждения (Wв), наводит в трехфазной обмотке статора соответствующие ЭДС.
где — коэффициент трансформатора между фазовой статорной обмоткой и роторной обмоткой при их соостном положении.
Характеристика управления сельсина в амплитудном режима приобретает синусоидальную закономерность
где .
Положительное значение, соответствует = 0, отрицательное = .
Для малых значений , sin .
где — передаточный коэффициент в амплитудном режиме.
Фазовый режим (режим фазовращателя).
Индикаторный режим применяется для дистанционной передачи угла поворота.
Схема фазовращения
Используется для дистанционной передачи угла поворота. Сельсин-датчик связан с осью механизма, угол поворота которой необходимо передать. На оси сельсина-приемника закреплена стрелка, отсчитывающая этот угол поворота (режим индикации).
Обе обмотки возбуждения подключены к источнику переменного тока.
В сельсинах создается пульсирующее магнитное поле, которое индуцирует в трехфазной обмотке трансформаторные ЭДС.
При согласованном положении роторов СД и СП ЭДС равны и соответственно токов в цепях синхронизации и моментов на их осях нет.
При повороте ротора СД на некоторый угол в системе возникает рассогласование углов поворота роторов СД и СП, в трехфазных обмотках появляются уравнительные токи и развивается вращательные моменты на осях сельсинов. Ротор СД жестко соединен с осью механизма, поэтому повернуться не может. Поворачивается только ротор СП и индикаторное устройство на угол, равный возникшему ранее углу рассогласования.
Синхронизирующий момент изменяется пропорционально синусу угла рассогласования
Характеристика управления сельсина в режиме фазовращателя = .
Вращающиеся (поворотные) трансформаторы.
В системах, где требуется более точное измерение угловой координаты вместо сельсинов применяют синусно-косинусные вращающие трансформаторы (СКВТ).
По своему устройству СКВТ — двухфазная машина переменного тока. Неявнополюсные статор и ротор имеют по две взаимоперпендикулярные обмотки: обмотку возбуждения и квадратурную на статоре синусную и косинусную на роторе.
СКВТ
Принцип действия вращающегося трансформатора основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте ротора. В качестве датчиков угла используют синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых зависимость коэффициентов взаимоиндукции от угла поворота ротора носит характер синусоиды и косинусоиды, и линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), у которых указанная зависимость линейная.
В зависимости от схемы включения выходным сигналом вращающегося трансформатора может быть амплитуда переменного напряжения или угол сдвига фаз между напряжениями. Соответственно этому режим работы вращающегося трансформатора называется амплитудным, или режимом фазовращателя.
В амплитудном режиме обмотка возбуждения, расположенная по оси , получает питание от источника переменного тока
Тогда в разомкнутых роторных обмотках d, g наводятся ЭДС амплитуды которых оказываются функциями угла поворота ротора C1 — С2 — обмотка возбуждения для косинусной обмотки, расположенной по оси d
для синусной обмотки, расположенной по оси g
где Кт — коэффициент трансформации между обмоткой возбуждения и каждой роторной обмоткой при их соостном положении; Em — амплитуда ЭДС роторных обмоток.
Влияние нагрузки на характеристики управления компенсируется с помощью квадратной обмотки (С3 — С4).
В режиме фазовращателя обмотки статора и получают питание от источника двухфазного напряжения. Образующее при этом круговое поле, которое перемещается в пространстве с угловой скоростью и наводит ЭДС в обмотке ротора, имеющую такую же частоту, но сдвинутую по фазе относительно питающего напряжения на угол , который зависит от угла поворота ротора СКВТ:
; .
Таким образом, в режиме фазовращателя СКВТ является датчиком, преобразующим угол поворота в фазовый угол синусоидального напряжения.
Для повышения точности преобразования применяют вращающиеся трансформаторы с электрической редукцией. Принцип электрической редукции заключается в том, что за малый угол поворота ротора амплитуда или фаза выходного напряжения изменяется на один период, а при повороте ротора на 3600 число периодов равно коэффициенту электрической редукции. Наибольшее распространение из вращающихся трансформаторов с электрической редукцией получили индукционные редуктосины и индуктосины.
Линейный индуктосин состоит из набора измерительных шкал 1 и ползуна 2, монтируемых на рабочих органах.
Измерительная шкала индуктосина укреплена на неподвижной части и представляет собой стальную линейку, на которой на соответствующую изолирующую подложку печатным способом нанесена зигзагообразная обмотка с шагом 2 мм. Ползун 2, укрепленный на подвижной части, является якорем и состоит из двух таких же, но более коротких обмоток, сдвинутых на 1/4 шага относительно друг друга. На выходе обмоток якоря индуцируется циклический сигнал. Число циклов определяется числом пройденных шагов. В промышленности применяют также круговые индуктосины.
Фотоэлектрические датчики представляют собой обычное фотореле, установленное на рабочих органах в определенном положении. Движущийся рабочий орган (ДРО), переместившись в установленное положение, экраном прерывает поток света Ф, вызывая срабатывание фотореле (ФР).
В промышленности применяют также размерные фотоэлектрические датчики. Размерный датчик состоит из диска, который соединен с ДРО. На диске нанесены штрихи или прорези с определенным шагом t. При движении рабочего органа штрихи на диске прерывают световой поток Ф, вызывая срабатывание фотореле. Измеренное перемещение
где n — число срабатывания фотореле; t — цена деления шага.
Имеются датчики, у которых в качестве измерительных шкал применяют линейки с нанесенными штрихами.
а б
Рис. Схемы вращающихся трансформаторов:
- а — электрическая принципиальная вращающегося трансформатора;
б — электрическая принципиальная включения СКВТ в режиме фазовращателя
Рис. Линейный индуктосин: а — внешний вид; б — схема соединения обмоток
Рис. Схемы фотоэлектрических датчиков: а — пути и положения; б — размерного
Рис. Принципиальные электрические схемы сельсинов: а — индикаторный режим; б — трансформаторный режим
Рис. Схемы датчиков скорости: а — тахогенератора с возбуждением от постоянных магнитов; б — асинхронного тахогенератора; в — реле контроля скорости
Рис. Схемы силовых датчиков: а — электромеханического; б — токового реле; в — тензометрического; г — пьезоэлектрического
Оптикоэлектронные преобразователи
Применение оптических методов измерения физических величин как параметров технологических процессов исключает влияние средств измерений на технологический процесс, повышает точность измерений.
Изменение интенсивности поглощения света в зависимости от толщины слоя, а также селективность поглощения лежат в основе действия целого ряда оптических преобразователей, предназначенных для определения толщины, уровня, концентрации, структуры и химического состава веществ.
Оптический преобразователь включает в себя: источник излучения; оптический канал; приемник излучения.
Требования:
- высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию оптического излучения;
- узкая полоса излучения;
- направленность излучения;
- быстродействие, т.е. быстрое возникновение и гашение потока;
- высокая технологичность;
- низкая стоимость;
- совместимость с микросхемами;
- устойчивость к жестким механическим, температурным, радиационным воздействиям;
- долговечность;
- надежность;
- миниатюрность;
- когерентность генерируемого излучения.
Когерентность — это согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени — пространственная, а в различные моменты времени — временная.
Излучатели: лампы накаливания — физический эффект свечения нагретого тела — спектр излучения инфракрасный.
Газоразрядные источники дугового, тлеющего и импульсного разряда — потребляют большую мощность при относительно высоких напряжениях, имеют большие размеры, плохо поддаются минютиризации, обладают невысокой стабильностью. Их быстродействие достигает 103-104 Гц.
Наибольшее распространение получили светодиоды с красным, зеленым и желтым цветом свечения.
Их достоинства: высокий КПД; низкие токи и напряжения питания, малые размеры, относительно высокая частота переключений.
Основные недостатки — зависимость их параметров от температуры и продолжительность эксплуатации.
Лазеры — источники когерентных монохроматических излучений, позволяют получить чрезвычайно интенсивные остронаправленные пучки света. Различают твердотельные, газовые, полупроводниковые.
Однако большие размеры источников питания и излучательных трубок газовых лазеров ограничивает их применение.
У полупроводниковых лазеров высокий КПД, проста модуляция оптического излучения.
Приемники излучения. Преобразуют энергию излучения в электрический и оптический сигналы. Действуют по принципу фотоэффекта. Это фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы.
Сопротивление фоторезисторов изменяется под действием светового излучения, они обладают высоким быстродействием, чувствительностью. Основной недостаток — низкие рабочие частоты (103-105 Гц), высокая температурная нестабильность, влияние влажности.
Фотодиоды — аналог обычного диода. Отличие состоит в том, что его p-n — переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет и защищен с другой стороны. Может работать в двух режимах: фотодиодным (фотопреобразовательным) и вентильном (фотогенераторном).
Их недостаток — существенная зависимость параметров от температуры. Бывают германиевые и кремневые.
Фототранзисторы — комбинация фотодиода и транзистора. Это позволяет одновременно с преобразованием световой энергии в электрическую осуществить усиление фототока. Два типа p-n-р и n-р-n.
На вход фототранзисторов можно подавать оптический и электрический сигналы. Характеристики фототранзисторов аналогичных характеристикам обычных транзисторов. Их темповой ток значительно больше, чем у фотодиодов, но и интегральная чувствительность выше.
Основной недостаток — значительно меньшая граничная частота по сравнению с фотодиодами. Для них характерны высокий уровень шума и сильная температурная зависимость темпового тока.
В последнее время стали часто использовать специфические оптоэлектронные полупроводниковые приборы — оптроны, объединяющие в одном корпусе источник излучения и фотоприемник, связанные между собой оптически, электрически или обеими связями одновременно.
В зависимости от типа и схемы включения оптроны обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, коммутацию цепей с частотой до 107 Гц могут работать в ключевом и налоговом режимах. Темповое сопротивление может достигать 1010 Ом, а в освещенном состоянии снижаться до сотен Ом.
Многие физические величины, преобразованные в линейное или угловое перемещение, можно перевести в электрический сигнал с помощью фотоэлектрических преобразователей.
Наиболее просто можно получить изменение светового потока Ф, а следовательно, и фототока, изменяя расстояние от источника излучателя до фотоприемника.
Использование фотоэлектрических преобразователей позволяет получить информацию о контролируемом параметре в виде параллельного цифрового кода — кодирующие измерительные преобразователи. С их помощью можно измерять линейное или угловое перемещение, вращающий момент, частоту вращения, предварительно преобразованные в перемещение.
Принцип их действия заключается в том, что для углового измерения перемещения используют кодирующий диск, устанавливаемый на оси подвижной части первичного преобразователя. При линейном перемещении используют кодирующую линейку.
Если диск (линейка) изготовлены из непрозрачного металла, то в нем в определенном порядке вырезают отверстия. Число рядов отверстий соответствует разрядности кода, его выбирают исходя из требуемой точности измерений.
Если используют прозрачный материал, то на нем формируют прозрачные и непрозрачные участки.
Напротив каждого из рядов отверстий диска устанавливают с одной стороны источник излучения, с другой фотоприемник. Каждая пара (излучатель — фотодиод) выдает информацию о состоянии соответствующего разряда цифрового кода. Обычно применяют двоичный код.
Пьезоэлектрические преобразователи
Принцип действия таких датчиков основан на использовании прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.
Прямой эффект представляет собой способность некоторых материалов образовывать электрические заряды на поверхности при приложении механической нагрузки.
Обратный эффект — в изменении механического напряжения или геометрических размеров образует материала под воздействием электрического поля.
В качестве пьезоэлектрических материалов используют естественный материал — кварц, турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титанита бария, титанита свинца и цирконата свинца.
Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем Кd, устанавливающем зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F
Тепловые преобразователи
Их принцип действия основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена) и входной величиной таких датчиков является температура.
Однако они применяются как преобразователи не только температуры, но и таких величин, как тепловой поток, скорость потока газа, влажность, уровень жидкости.
При построении тепловых преобразователей наиболее часто используют такие явления, как возникновение термо-ЭДС, зависимость сопротивления вещества от температуры.
Термопара представляет собой чувствительный элемент, состоящий из двух разных проводников или полупроводников, соединенных электрически, и преобразующий контролируемую температуру в ЭДС.
Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в контуре из двух разнородных проводников, места соединения (спаи) которых нагреты до различных температур.
Знак и значение термо-ЭДС в цепи зависят от типа материала и разности температур в местах спаев.
При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур
С помощью термопары можно определять температуру.
В качестве материалов для термопар используют различные драгоценные металлы (платину, золото, иридий, родий и их сплавы), а также неблагородные металла (сталь, никель, хром, сплавы нихрома, хопель, алюмель).
Сравнительно редко применяют термопары из кремния и селена (полупроводники), они имеют малую механическую прочность, обладают большим внутренним сопротивлением, хотя и обеспечивают большую термо-ЭДС по сравнению с металлами.
Термо-ЭДС возникает только в спаях разнородных материалов. При сравнении различных материалов в качестве базовой принимают термо-ЭДС платины, по отношению к которой определяют термо-ЭДС других материалов.
Для повышение выходной ЭДС используют последовательное включение термопар, образующее термобатарею.
Достоинства термопар — возможность измерений в большом диапазоне температур; простота устройства; надежность в эксплуатации.
Недостатки — не высокая чувствительность, большая инерционность, необходимость поддержания постоянной температуры свободных спаев.
Терморезисторные преобразователи работают на основе свойства проводника или полупроводника изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.
Для таких датчиков используют материалы, обладающие высокой стабильностью ТКС, высокой воспроизводимостью электрического сопротивления при данной температуре, значительным удельным сопротивлением, высоким ТКС, стабильностью химических и физических свойств при нагревании, инертностью к воздействию исследуемой среды.
К таким материалам в первую очередь относятся платина, медь, никель, вольфрам. Наиболее распространены платиновые и медные терморезисторы.
Платиновые терморезисторы используют в диапазоне от 0 до 6500С; от 0 до — 2000С. Их недостаток — теряет стабильность характеристик, и возрастает хрупкость материала при высоких температурах.
Медные терморезисторы используются в диапазоне температур от 50 до 1800С, они довольно стойки к коррозии, дешевы. Зависимость сопротивления от температуры описывается линейным уравнением
Их недостатки: высокая окисляемость при нагревании, вследствие чего их применяют в сравнительно узком диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов.
Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических большим ТКС, а, следовательно, меньшими размерами и инерционностью. Недостаток — нелинейная зависимость сопротивления от температуры.
Терморезисторы обычно применяют для измерения температуры. При этом нагрузочный ток, проходящий через них должен быть мал. Если этот ток будет велик, то перегрев терморезистора по отношению к окружающей среде может стать значительным. Установившее значение перегрева и соответственно сопротивление при этом будет определяться условиями теплоотдачи поверхности терморезистора.
Если нагретый терморезистор поместить в среду с переменными теплофизическими характеристиками, то появляется возможность измерения ряда физических величин: скорости потока жидкости и газов, плотности газов.
Чувствительность проволочных медных терморезисторов постоянна, а чувствительность платиновых изменяется с изменением температуры. При одинаковых значениях R0 чувствительность медных терморезисторов выше.
Диапазон измеряемых температур с помощью терморезисторами с платиновыми и медными чувствительными элементами от — 200 до + 11000С.
При измерении высоких температур применяются бесконтактные средства измерений — пирометры, которые измеряют температуру по тепловому излучению. Серийно выпускают пирометры, обеспечивающие измерение температур в диапазоне от 20 до 60000С.
В основе бесконтактного метода измерения температур лежит температурная зависимость излучения абсолютно черного тела, т.е. тела, способного полностью поглощать падающее на него излучение любой длины волны.
