книги / Основы автоматики

Г л а в а Ш

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

§ 3 .1 . ВВЕДЕНИЕ

Измерительные устройства предназначены для измерения управ­ ляемой величины и возмущений, действующих на автоматическую систему в процессе ее работы. Так как физическая природа из­ меряемых величин достаточно разнообразна, то наряду с изме­ рением измерительные устройства автоматических систем решают и задачу преобразования измеренной величины в величину, удоб­ ную для использования в последующих элементах системы (линей­ ное или угловое перемещение, напряжение).

В автоматических системах более предпочтителен с точки зрения удобства передачи и преобразования электрический оигнал. Измерительные устройства, решающие задачу измерения физичеокой величины и ее преобразования в электрический сигнал, объединя­ ют общим понятием - датчики автоматических систем. Очевидно, понятие датчика автоматической оистемы является более узким по сравнению с понятием измерительного элемента.

Измерительные уотройства находятся в непосредственном кон­ такте о измеряемой физической величиной, условия их работы мо­ гут существенно отличаться в худшую сторону от уоловий работы других элементов систем в смысле механичеоких, химических,тем­ пературных и других воздействий. Этим определяются достаточно строгие требования к характеристикам, параметрам и конструк­ ции измерительных элементов. Измерительные уотройотва должны иметь однозначную и линейную статическую характеристику, быть надежными в работе, обладать высокой разрешающей способностью (наименьшим значением измеряемой величины, вызывающим измене­

ние выходной величины), максимальной мощностью выходного сиг­ нала, возможно большей чувствительностью (отношением величин выходного и входного оигналов).

§ 3.2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Потенциометрические датчики предназначены для преобразо­ вания линейного х или углового </ перемещения в электриче­ ский оигнал постоянного или переменного тока. Преобразование ооущеотвляетоя в ооответотвии о тре­

буемой функциональной зависимостью

If - f (х) , V = f ( о()

Для потенциометрических датчиков угла эта завиоимооть чаще всего являетоя линейной.

Потенциоме тричеокий датчик(рис 3 J ) состоит из каркаса I с обмоткой в виде равномерно намотанного высокоомного провода и токосъемной щетки (движка) 2.

Движок потенциометра перемещается по зачищенной поверхности проволоки. Обычно он жеотко овяэан о выходным штоком (осью) элемента, осуществляющего измерение определенной физичеокой величины (давления, температуры и т .д .) . Выходной сигнал дат­ чика в виде напряжения 1Г снимается с клемм cd , на входные клеммы ab подается напряжение питания 1Г0(рис.3 .2 ,а ) .

Каркаоы потенциометров могут иметь различную форму: пла­ стинчатую, дуговую, кольцевую. Для их изготовления применяют пластмассы, текстолит, гетинакс, керамику, алюминий о изоля­ ционной окоидной пленкой, обладающий большой теплоотдачей и стабильностью геометрической формы. Для обмоток прецизионных датчиков используется провод диаметром от 0,02 до 0,08 мм, из­ готовленный из сплавов на основе благородных металлов. 6 по­ следнее время началиоь разработки непроволочных (пленочных) потенциометров. Функцию обмотки в них выполняет пленка из бла­ городного металла - родия, нанесенная на стекло.

Выходное напряжение потенциометрического датчика, схема

которого изображена на рис.3 .2 ,а, в случае холостого хода (ключ Н разомкнут, Рн = со )

Рис.3 .2 .Двухтактный потенциометрический датчик:

а) принципиальная схема; б) статическая характеристика

Статическая характеристика датчика на холостом ходу есть линейная функция угла поворота движка (рис.3 .2 ,б). За начало оточета на графике принята средняя точка потенциометра. Из­ менение направления перемещения движка относительно средней точки приводит к изменению знака выходного напряжения, поэто­ му рассмотренный датчик является двухтактным. В автоматиче­ ских системах потенциометрический датчик работает на нагруз­ ку, которой служит входное сопротивление последующего злемента (уоилитель, двигатель). Так как выходное напряжение дат­ чика пропорционально величине сопротивления между средней точ­ кой и движком потенциометра, то для нагруженного датчика оно меньше выходного напряжения холостого хода. Это объясняется

величину амплитуды, а 8нак перемещения - фазу выходного напря­ жения. Фаза выходного напряжения меняет­

ся на I80P при изменении знака угла на противоположный (рио.3 .3 ,6 ). Для датчи­ ков на переменном токе справедливы ооотноиения и характеристики датчика на поотоянном токе, еоли под ив и и пони­ мать действующие значения напряжения пи­ тания и выхода, а изменению знака напря­ жения поставить в соответствие изменение

фазы выходного напряжения на 180°. Потенц..:иетричеокие датчики могут

быть использованы для дистанционной пере­ дачи угла. На рис.3.4 изображена схема дистанционной передачи угла «выполненная

на потенциометрах. Напряжение питания подводится к клеммам по­ тенциометра-датчика (ПД) и потенциометра-приемника (ПП). Потен­

пропорциональное углу поворота движка ПД относительно движка ПП. Потенциометричеокие датчики находят широкое применение в

автоматических системах. Как датчики угла они используются в дистанционных гиромагнитных компасах, в системах стабилизации ракет, при телеметрических измерениях и т .д . Широкое распро­ странение потенциометры получили благодаря сравнительно про­ стой конструкции и универсальности. Однако потенциометрическим датчиком свойственны и существенные недостатки:

а) недостаточно высокая надежность (обрыв обмотки, нена­ дежный контакт);

б) ступенчатый характер статичеокой характеристики (рис.3.5). Ступенчатооть характеристики объясняется скачкообразным изме­ нением сопротивления при перемещении движка о одного витка на другой;

в) недостаточно выоокая чувствительность (3 ♦ 5*10~2в/мм).

§ 3 .3 . ИНДУКЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ

Индукционные (травоформаторные) датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в злектричеовнй сигнал переменного тока.

принцип действия индукционных датчиков аналогичен принци­ пу действия трансформатора, однако,в отличие от последнего, в индукционных датчиках коэффициент взаимной индуктивности вторичной и первичной обмоток изменяется в зависимости от по­ ложения подвижной и неподвижной частей датчика.

Рис.3 .6 .Индукционный датчик с поворотным якорем:

а) принципиальная схема; б) статическая характеристика

Все индукционные датчики подразделятся на две основные группы в зависимости от способа изменения взаимной индуктив­ ности:

а) датчики с поворотным (перемещающимся) якорем; б) датчики с поворотной (перемещающейся) обмоткой.

На рио.3.6,а изображена схема трехотержневого датчика с поворотным якорем. Первичная обмотка I с числом витков urt пи­ тается от сети переменного тока. Вторичные обмотки 2, 3 о чис­ лом витков ыг соединены последовательно и вотречно. В цепь вто­ ричных обмоток вклочено сопротивление нагрузки гн . При ней­ тральном положении якоря ( d = 0) площади крайних стержней, перекрываемые якорем, одинаковы, составляйте переменного маг­ нитного потока Ф^ и 4>3 , замыкающиеся через крайние стержни, равны, следовательно, равны и з .д .с . е и ^ , наводимые во вторичных обмотках. Напряжение на нагрузке

при этом будет равно нулю. При отклонении якоря от нейтрального положения вправо увеличивается составляющая магнитного потока

нагрузке отлично от нуля. Очевидно, что величина (амплитуда) напряжения на нагрузке пропорциональна отклонению якоря.

ря, при котором происходит полное перекрытие площади крайних стержней (рис.3 .6 ,6 ).

Датчики с поворотным якорем имеют следующие достоинства: отсутствие скользящих контактов, большая мощность выходного сигнала, малые габариты. Их основные недостатки - наличие ну­

Достоинствами датчиков о поворотной обмоткой являются большой диапазон измеряемых перемещений, незначительный момент обратного воздействия. Их характерные недостатки - влияние реакции вторичной цепи нагруженного датчика на его характери­ стики, сложность технологии изготовления ротора.

В табл.3.1 приведены основные характеристики некоторых индукционных датчиков.

§ 3 .4 . СЕЛЬСИНЫ

Термин "оельсин" происходит от английокого названия selfsynchronizing (сокращенно selsyn ) - самосинхронизи-

рующнйоя. Сельсины используются в оамосинхронизирующихоя ди­ станционных передачах и в следящих сиотемах в качестве дат­ чика угла рассогласования.

Конструктивно сельсины выполняются обычно в виде алектричеоких машин переменного тока с явно выраженными или неявно

а)

Рис.3 .8 .Схемы конструктивных форм сельсинов:

а) с однофазной обмоткой в явно выраженных полюсах ротора и с трехфазной в неявно выраженных полюсах статора; б) с однофаз­ ной обЫоткой в неявно выраженных полюсах ротора и с трехфазной

в неявно выраженных полюсах статора

ные оси, которых сдвинуты друг относительно друга на 120°. Об­ мотки статора соединены звездой. Чаото обмотку, размещенную