close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

173.Датчики в системах автоматики на горных предприятиях учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направ

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ
НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской
Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного
пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки
(специальности) «Горное дело» (специализация «Электрификация и автоматизация горного производства»), рег. № 51-16/382 от 25.12.2013
Красноярск
СФУ
2014
УДК 681.586:622.012(07)
ББК 32.965-044.3я73
Д209
Д209
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях :
лаб. практикум / Б. С. Заварыкин, Е. В. Гаврилова, О. А. Ковалёва,
О. А. Кручек. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 132 с.
ISBN 978-5-7638-2996-9
Рассмотрены принципы действия и конструкции датчиков давления
и температуры, углового положения и скорости, линейного положения, напряжения и тока. Даны методики проведения опытов и обработки полученных результатов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) «Горное дело» (специализация «Электрификация
и автоматизация горного производства»).
Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru
ISBN 978-5-7638-2996-9
УДК 681.586:622.012(07)
ББК 32.965-044.3я73
© Сибирский федеральный
университет, 2014
Оглавление
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..........................................................................................................
4
1. Техника безопасности при выполнении
лабораторных работ ...................................................................................
6
2. Датчики температуры ...............................................................................
2.1. Приборы для измерения температуры..............................................
2.2. Бесконтактные методы измерения температуры ............................
Задания для самопроверки и контроля ....................................................
11
12
19 27
3. Датчики давления.......................................................................................
Задания для самопроверки и контроля ....................................................
28
38
4. Датчики скорости .......................................................................................
Задания для самопроверки и контроля ....................................................
39
52
5. Датчики углового положения ..................................................................
Задания для самопроверки и контроля ....................................................
54
62
6. Датчики линейного положения ............................................................... 63
Задания для самопроверки и контроля .................................................... 102
7. Датчики электрических величин ........................................................... 104
Задания для самопроверки и контроля .................................................... 115
Библиографический список ......................................................................... 117
Приложение 1. Блок электронагревателя ..................................................... 118
Приложение 2. Блок счетчиков импульсов .................................................. 120
Приложение 3. Источник питания ................................................................ 127
Приложение 4. Схема электропитания блоков комплекта ........................ 130 3
Введение
ВВЕДЕНИЕ
Автоматика как наука возникла на базе теории автоматического
регулирования, основы которой были изложены в работах Дж. К. Максвелла (1868), П.Л. Чебышева (1871), И.А. Вышеградского (1872–1878),
А. Рауса (1877), А.М. Ляпунова (1892), А. Гуранца (1893), А. Стодолы
(1899), Н.Е. Жуковского (1909) и других.
Как самостоятельная область техники автоматика получила
признание на II Мировой энергетической конференции (Берлин,
1930), где была создана секция по вопросам автоматического и телемеханического управления. В 1932 г. в СССР был создан Научноисследовательский институт телемеханики, а в 1938 г. – Комитет по
автоматизации при Президиуме АН СССР, который затем был преобразован в Институт автоматики и телемеханики (ИАТ) АН СССР.
В научно-техническую дисциплину автоматика окончательно оформилась в 1940 г.
Внедрение автоматических устройств и систем в горную промышленность началось в 1930-е гг. Широкое применение они получили в послевоенные годы. В 1953 г. был создан институт Гипроуглеавтоматика, возглавивший все работы по автоматизации производственных процессов на предприятиях угольной промышленности.
Впоследствии были организованы институты Автоматгормаш,
ВНИИцветмет, Цветметавтоматика, а также Институт горной механики и технической киберненетики им. М.М. Федорова, Центральный
научно-исследовательский институт комплексной автоматизации
(ЦНИИКА). Начали свою работу по выпуску устройств и систем
шахтной автоматики заводы «Красный металлист» (Конотоп), «Северокавказэлектроприбор» (Нальчик) и другие.
В горной промышленности ведутся большие работы по повышению уровня автоматизации производства, причем наблюдается переход от автоматизации отдельных установок к комплексной автоматизации производственных процессов.
Комплексная механизация и автоматизация технологических
процессов, автоматизированные системы управления на базе управляющих вычислительных машин и промышленных контроллеров являются важной составляющей научно-технического прогресса. На
предприятиях горнодобывающей промышленности осуществляется
программа комплексной механизации и автоматизации основных
4
Введение
и вспомогательных производственных процессов, совершенствуются
горные машины и комплексы в целях увеличения производительности
и надежности. Повышается эффективность автоматизированных систем управления и вычислительных центров, постепенно объединяемых
в общегосударственную систему сбора и обработки информации.
5
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
1.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Безопасность проведения и выполнения лабораторных работ является важнейшим условием учебного процесса. Несоблюдение правил техники безопасности и неосторожное обращение с электрическими аппаратами, схемами стендов могут привести к тяжелым несчастным случаям.
Для предупреждения несчастных случаев во время проведения лабораторных работ, практических занятий или научно-исследовательских
экспериментов в лаборатории и мастерской все студенты должны
строго выполнять все требования по технике безопасности для каждого вида и рода работ.
Инструкции по проведению лабораторных работ. В лабораториях кафедры используется напряжение 380, 220 и 127 В переменного тока, 220 и 110 В – постоянного тока. При несоблюдении правил
техники безопасности данные величины напряжений представляют
собой серьезную опасность.
В соответствии с этим студенты допускаются к занятиям только
после ознакомления с правилами техники безопасности при работе
с электрическими устройствами и установками.
Правила выполнения лабораторных работ. Допуск к проведению намеченной по графику лабораторной работы осуществляется
после предварительного ознакомления студентов с содержанием инструкции по проведению работы и последующего опроса преподавателем, в результате чего определяется степень готовности студентов
к проведению работы.
Получив разрешение на проведение работы, студент должен
сначала вычертить схему соединений в соответствии с заданием, заготовить необходимые таблицы и показать все подготовленные материалы преподавателю. Только после утверждения схемы и дополнительного опроса о порядке проведения работы студент может приступить к сборке схемы, которую полезно производить по памяти, лишь
изредка проверяя себя по чертежу.
При выполнении работы запрещается вносить какие-либо изменения в работу схемы без согласования с преподавателем.
Схемы и оборудование подключаются к электрической сети после проверки преподавателем правильности сборки схемы работы.
6
1. Техника безопасности при выполнении лабораторных работ
Работы следует выполнять в последовательности, указанной
в руководстве к каждой лабораторной работе.
Перед выполнением лабораторной работы необходимо распределить обязанности между членами бригады. После начала работы
не разрешается переходить из одной бригады в другую.
Рекомендуется сначала проделать в порядке тренировки все
операции, предусмотренные программой, без точных измерений и записей и лишь после этого провести опыты, обратив особое внимание
на точность измерений.
Записи показаний приборов ведутся каждым студентом в отдельности и по окончании работы предъявляются преподавателю на
подпись.
После окончания испытаний опытная установка отключается от
сети и результаты измерений показываются преподавателю.
Работа считается оконченной только в случае признания ее результатов удовлетворительными.
По окончании работы необходимо получить разрешение преподавателя на разборку схемы, после чего все соединения должны быть
разобраны, соединительные провода в полном порядке сданы лаборанту, а рабочее место приведено в порядок.
Если испытания завершены до окончания занятия, студенты
приступают к составлению отчета в соответствии с указаниями, приведенными в руководстве к лабораторной работе.
Отчет о выполненной лабораторной работе в обязательном порядке должен быть предъявлен преподавателю перед началом очередного занятия. В противном случае студенты не допускаются к занятиям.
Лабораторные работы защищают в порядке очередности, установленной преподавателем. Студент при этом обязан знать краткие
теоретические сведения по данной работе, методику определения тех
или иных зависимостей и уметь объяснить их характер.
Если студент по какой-либо причине не выполнит работу в намеченный срок, он должен выполнить ее во внеурочное время по согласованию с преподавателем. Произвольные изменения графика работ не допускаются во избежание срыва работы других бригад.
Правила безопасности при сборке схем. Проверить наличие
предохранителей на всех щитах.
Проверить наличие защитных кожухов на аппаратах, подлежащих закрытию, и на вращающихся частях электроустановок.
7
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Во время сборки схемы аппараты (реле, реостаты, тумблеры и др.),
которые подключаются к сети, должны быть отключены или выведены в нулевое исходное положение.
Верхние губки рубильников на распределительных щитах всегда
находятся под напряжением, поэтому прикосновение к ним категорически запрещается.
Измерительные приборы и аппараты необходимо размещать таким
образом, чтобы в процессе выполнения работ была исключена возможность случайного прикосновения к оголенным токоведущим частям.
Перед сборкой схемы необходимо еще раз убедиться в том, что
на лабораторном стенде напряжение отсутствует.
Сборка схемы производится при помощи проводников соответствующей длины и сечения со специальными наконечниками, предназначенными для выполнения данной работы. Запрещается сращивать
или разрезать проводники. Неиспользованные соединительные провода не должны оставаться на рабочем месте.
Сборку схемы необходимо выполнять по возможности без пересечения проводов, их натянутого состояния, не допускать их скрещивания. Запрещается пересекать проводами проходы между рабочими
местами.
Работая в лаборатории, студенты должны пользоваться теми
приборами, которые находятся на рабочих местах. Использование
других приборов без разрешения преподавателя запрещается.
При проверке схемы следует обратить особое внимание на исправность проводов и на положение рукояток реостатов, измерительных приборов и других аппаратов (согласно руководству и инструкции к каждой лабораторной работе).
Предварительно студент должен проверить соответствие выполненных соединений по утверждённой преподавателем схеме, затем для проверки пригласить преподавателя или лаборанта и только
с их разрешения включить напряжение.
Правила безопасности при выполнении работы. Включение
схемы под напряжение производится только с разрешения преподавателя или лаборанта и только после предупреждения об этом всех студентов, работающих на данном рабочем месте.
В случае короткого замыкания или повреждения прибора в собранной схеме студент должен немедленно отключить рубильник (пакетный
выключатель) на щитке рабочего места и, не сделав попыток к исправлению, сообщить о повреждении преподавателю или лаборанту.
8
1. Техника безопасности при выполнении лабораторных работ
При отсутствии напряжения в цепи рубильник (пакетный выключатель) должен быть в отключенном состоянии.
В случае прекращения опыта или перерыва в работе схему надо
обязательно отключить от сети.
Все изменения в соединениях (согласно программе проведения
каждой лабораторной работы) должны производиться только при отключенном рабочем щите. После каждого изменения соединений – до
включения напряжения – схема должна быть вновь проверена преподавателем или лаборантом.
Во время выполнения работы запрещается:
• производить переключения в рабочей схеме, находящейся под
напряжением;
• прикасаться к оголенным токоведущим частям установок;
• оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением;
• включать не имеющие отношения к данной работе аппараты,
приборы и рубильники.
Студенты должны бережно и аккуратно обращаться с аппаратурой, приборами и инструментами.
Во всех случаях обнаружения неисправного состояния оборудования, измерительных приборов и проводов необходимо немедленно
поставить в известность преподавателя.
Нужно тщательно следить за своей прической во избежание
прикосновения к токоведущим частям установки.
Общие указания по оформлению отчётов. Конкретные указания по содержанию отчетов приводятся в конце руководств к каждой
лабораторной работе.
Титульные листы лабораторных работ выполняются согласно
ГОСТу. Схемы и графики можно вычерчивать в карандаше, но обязательно с применением чертежных принадлежностей. Элементы схемы
должны быть изображены по ГОСТу.
Графики выполняют на клетчатой или миллиметровой бумаге.
Значения аргумента следует откладывать по горизонтальной оси,
а значения функции – по вертикальной. Вдоль осей наносят масштабные шкалы, деления которых должны быть равномерными. Числовые
значения следует указывать против соответствующих делений.
После нанесения экспериментально полученных точек на график, использовав линейку и лекало, следует провести плавную линию, проходящую по возможности ближе к этим точкам.
9
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
При большом количестве кривых на одном графике рекомендуется изображать их штриховыми, штрихпунктирными или цветными
линиями.
Следует избегать графиков, в которых деления в начале координат начинаются не с нулевого значения. Такие графики не дают представления о характере рассматриваемых зависимостей.
В конце каждой выполненной и оформленной работы должна
стоять подпись студента.
Защита лабораторных работ осуществляется согласно графику,
утверждённому преподавателем.
10
2. Датчики температуры
2.
ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ
В России применяются две температурных шкалы: абсолютная
термодинамическая и международная практическая.
Началом отсчета термодинамической шкалы выбрана точка абсолютного нуля, а в качестве единственной реперной точки принята
тройная точка воды, которой соответствует значение 273,1 К. Однако
термодинамическая шкала не получила широкого практического
применения из-за больших трудностей ее реализации с помощью газовых термометров.
Более удобной при измерениях является международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая основана на ряде
воспроизводимых температур фазового равновесия веществ (основные реперные точки), находящихся в диапазоне от –259,34 °C (тройная точка равновесного водорода) до +1064,43 °C (точка плавления
золота). Числовые значения температуры в этой шкале сопровождают
знаком °С.
Приборы для измерения температуры можно разделить на две
группы:
• контактные (имеет место надежный тепловой контакт чувствительного элемента прибора с объектом измерения);
• бесконтактные (отличаются тем, что чувствительный элемент
термометра в процессе измерения не имеет непосредственного соприкосновения с измеряемой средой).
В зависимости от принципа действия приборы для измерения
температуры контактным способом делятся на:
1. Термометры расширения, принцип действия которых основан
на изменении объема жидкости (жидкостные) или линейных размеров
твердых тел (биметалические) при изменении температуры. Предел
измерения от –190 до +600 °С.
2. Манометрические термометры, принцип действия которых
основан на изменении давления жидкостей, парожидкостной смеси
или газа в замкнутом объеме при изменении температуры. Пределы
измерения от –150 до +600 °С.
3. Электрические термометры сопротивления, основанные на
изменении электрического сопротивления проводников или полупроводников при изменении температуры. Пределы измерения от –200 до
+650 °С.
11
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
4. Термоэлектрические преобразователи (термопары) основанные на возникновении термоэлектродвижущей силы при нагревании
спая разнородных проводников или полупроводников. Диапазоны
температур от – 200 до + 2300 °С.
К бесконтактным приборам относятся пирометры излучения:
1. Пирометры частичного излучения (яркостные, оптические),
основанные на изменении интенсивности монохроматического излучения тел в зависимости от температуры. Предел измерений от 800 до
6 000 °С.
2. Радиационные пирометры, действие которых основано на зависимости мощности излучения нагретого тела от его температуры.
Предел от 20 до 2 000 °С.
3. Цветовые пирометры, действие которых основано на зависимости отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн от
температуры тела. Пределы измерения от 200 до 3 800 °С.
2.1. Приборы для измерения температуры
Термометры расширения. Измерение температуры жидкостными стеклянными термометрами основано на различии коэффициентов
объемного расширения жидкости и материала оболочки термометра.
Чувствительность жидкостных термометров тем выше, чем
больше разность температурных коэффициентов расширения жидкости и стекла оболочки, поэтому для их изготовления применяют термометрические стекла с малым температурным коэффициентом расширения, равным приблизительно 2 ⋅ 10–5 1/град.
Наиболее распространены ртутные стеклянные термометры.
Достоинства ртути: не смачивает стекло, почти не окисляется, легко
получается в химически чистом виде и имеет значительный интервал
между точкой плавления (–38,87 °С) и точкой кипения (+356,58 °С).
Недостатки ртути: сравнительно небольшой температурный коэффициент расширения, требуется осторожность при обращении с ней.
Коэффициент расширения ртути β″0-100 = 18 ⋅ 10–5 1/град,
а средний коэффициент расширения ртути в стеклянной оболочке
β″0-100 = 16 ⋅ 10–5 1/град.
Нижний предел измерения у ртутных термометров ограничивается температурой затвердевания ртути и равен –38,87 °С, верхний
предел определяется допустимыми температурами для стекла. При
12
2. Датчики температуры
использовании кварцевого стекла верхний предел измерений увеличивается до 750 °С. Так как температура кипения ртути при нормальном
атмосферном давлении равна 356,58 °С, то в высокотемпературных
ртутных термометрах пустое пространство в капиллярной трубке заполняется инертным газом под давлением, например в термометрах со
шкалой до 500 °С давление газа достигает 2⋅105 Па. Для измерения температуры до –190 °С в качестве наполнителей применяют органические
жидкости (этиловый спирт, толуол, керосин, эфир, пентан и др.). Из таких термометров наибольшее распространение получили спиртовые
с пределами измерений от –80 до +80 °С. Вследствие смачивания
стекла термометры с органическими термометрическими жидкостями
имеют меньшую точность отсчета.
Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров:
простота устройства и монтажа, дешевизна и достаточно высокая
точность показаний. К недостаткам жидкостных стеклянных термометров относится невозможность регистрации и передачи показаний
на расстояние.
Термометры линейного расширения подразделяют на биметаллические и дилатометрические. Действие биметаллических термометров основано на измерении разности линейных расширений пластин из двух разных материалов, жестко соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения, при нагревании.
Манометрические
термометры.
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления
рабочего (манометрического) вещества
в замкнутом объеме (термосистеме) от
температуры.
Манометрический термометр (рис. 2.1)
состоит из термобаллона 1, капиллярной
трубки 2 и манометрической части 3–7 (3 –
манометрическая трубка (пружина); 4 –
держатель; 5 – поводок; 6 – зубчатый сектор; 7 – биметаллический компенсатор).
Вся система прибора заполнена рабо- Рис. 2.1. Манометрический
чим веществом. Термобаллон помещают
термометр с трубчатой
пружиной
в зону измерения температуры. При нагре13
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
вании термобаллона давление рабочего вещества внутри замкнутой
системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической трубкой (пружиной), которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Термобаллон обычно
изготавливают из коррозионностойкой стали, а капилляр – из медной
или стальной трубки с внутренним диаметром 0,15–0,5 мм. Длина капиллярной трубки может достигать 60 м.
Для защиты от механических повреждений капиллярную трубку
помещают в защитную оболочку из стального плетеного рукава.
Манометрические термометры имеют простую конструкцию
и надежны в работе.
Различают газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные) манометрические термометры.
Газовые манометрические термометры заполняют азотом, реже
гелием или аргоном. Термометры, заполненные азотом, применяют
в диапазоне температур от –150 до +600 °С.
Зависимость давления от температуры имеет вид
Рt = Р0[1 + β (t – t0)],
где β = 1/273,15 – температурный коэффициент расширения газа; t0 и t –
начальная и конечная температуры; Р0 – давление рабочего вещества
при температуре t0.
К основным недостаткам газовых манометрических термометров относятся: сравнительно большая инерционность, обусловленная
низким коэффициентом теплообмена между стенками термобаллона
и наполняющим его газом и малой теплопроводностью самого газа;
большие размеры термобаллона, что затрудняет его установку на трубопроводах малого диаметра; необходимость частой поверки.
Жидкостные манометрические термометры заполняют органической полиметилсилаксоновой жидкостью ПМС-5. Предел измерения
температуры от –50 до +300 °С. При повышении температуры термобаллона от t0 до t жидкость в нем расширяется, избыточный объем вытесняется в капилляр и манометрическую трубку. Жесткость термобаллона и капилляра значительно больше жесткости манометрической
трубки, поэтому увеличение объема системы происходит в основном за
счет увеличения объема манометрической трубки. При деформации манометрической трубки ее свободный конец перемещается.
Жидкость практически несжимаема, поэтому изменение атмосферного давления не влияет на показания прибора.
14
2. Датчики температуры
В конденсационных манометрических термометрах термобаллоны на две трети объема заполняют низкокипящей жидкостью (фреон, хлористый метил, ацетон). Предел измерения составляет от –50 до
+300 °С. Специально изготовленные конденсационные термометры
применяются для измерения сверхнизких температур, например при
заполнении гелием для измерения температуры от 0,8 К. Капилляр
в этих термометрах опущен в термобаллон так, чтобы его открытый
конец находился в жидкости и в том случае, когда при максимальной
температуре в термобаллоне остается часть жидкости. Капилляр
и манометрическая пружина заполняются обычно высококипящей
жидкостью, которая служит для передачи давления от термобаллона
к манометрической пружине.
Давление в термосистеме конденсационного термометра равно
давлению насыщенного пара при температуре рабочей жидкости, которая, в свою очередь, равна температуре измеряемой среды с помещенным в нее термобаллоном.
К недостаткам манометрических термометров относятся невысокая точность измерений (основная погрешность составляет 1,0–2,5 %
в зависимости от длины капилляра) и трудность ремонта при разгерметизации термосистемы.
Электрические термометры сопротивления. В основу работы
этих термометров положено свойство проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от
температуры. Такой термометр состоит из собственно термометра сопротивления и устройства, измеряющего его электрическое сопротивление в функции температуры.
Термометры сопротивления применяют в тех случаях, когда
требуется повышенная точность измерений (в пределах от –200 до
+650 °С).
На отечественных заводах изготовляются платиновые термометры
сопротивления (ТСП) для температур от –200 до +650 °С и медные термометры сопротивления (ТСМ) для температур от –50 до +180 °С.
Основными достоинствами термометров сопротивления являются: высокая степень точности измерения температуры, возможность передачи результатов измерения на расстояние, непрерывного
измерения и регистрации температуры, широкий диапазон измерений,
централизация контроля.
Недостатками термометров сопротивления являются: необходимость источника питания, значительная инерционность, измерение
15
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
температуры не в точке, а в определенном объеме, разрушаемость
платиновых термометров при вибрации. У медных термометров сопротивления имеются такие недостатки, как малое удельное сопротивление медной проволоки и ее высокая окисляемость при температуре выше 100 °С.
Полупроводниковые термометры сопротивления, которые называются термисторами, или терморезисторами, применяют для измерения температуры в интервале от –90 до +180 °С.
Чувствительные элементы термисторов изготавливаются из окислов меди, марганца, магния, никеля, кобальта и других металлов.
Термисторы подразделяются на два типа: кобальто-марганцевые
(КМТ) и медно-марганцевые (ММТ). Каждый термистор градуируется индивидуально. Чаще всего термисторы используются не для измерения температуры, а для сигнализации, так как обладают высокой
чувствительностью и малыми размерами. Благодаря своей дешевизне
и размерам они нашли широкое распространение как датчики температуры нагрева подшипников различных агрегатов.
Есть приборы, работающие в комплекте с термометрами сопротивления: уравновешенные мосты, неуравновешенные мосты, логометры. Мосты бывают автоматические и неавтоматические.
Уравновешенный мост состоит из двух плеч, образованных сопротивлениями соединительных линий, постоянными сопротивлениями, переменным сопротивлением и термометром сопротивления Rт.
Равновесия схемы добиваются изменением переменного сопротивления, которое меняется при изменении параметров термометра сопротивления Rт.
В схеме неуравновешенного моста отсутствует переменное сопротивление. Применение их ограничено ввиду того, что показания
зависят от напряжения питания.
Логометры представляют собой разновидность электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы. Принцип действия
логометра основан на зависимости угла поворота подвижной системы
от величины отношения сил токов, протекающих в двух ветвях с общим источником постоянного тока. Эти токи изменяются с изменением сопротивления термометра Rт.
Термоэлектрические приборы. Принцип действия термопары
основан на эффектах Томпсона и Зеебека. Они проявляются в том, что
в спае различных проводников А и В возникают контактные разности
потенциалов (термоэлектродвижущая сила или термоЭДС), вызван16
2. Датчи
ики температуры
ные диффузие
д
ей свобод
дных элеектронов из провоодника, ггде их ко
онцентрация большее. Величи
ина этой термоЭД
ДС зависсит от тем
мператур
ры.
О
Общая
т
термоЭД
ДС, обуслловленнаая этими
и эффекттами, явл
ляется
функц
цией темп
ператур t0, t1 (рисс. 2.2) и зависит
з
о физичееской природы
от
провоодников А и В. Сп
пай терм
мопары с темпераатурой t1 называеттся горячим
м или раб
бочим, а спай с t0 – холо
одным, или
и свобоодным. ТермоТ
ЭДС термопар
т
ры есть функция
ф
д
двух
тем
мператур::
EAB
A = f(tl, t0).
Если t0 поддерж
Е
живать постоянно
ой, то ЕАВ являеется фун
нкцией
толькоо t1:
ЕАВ = f (t
( 1) при t0 = const.
Два любых разноородных проводн
Д
ника могуут образоовать тер
рмопару, ноо не люб
бая термопара моожет исп
пользоватться дляя практич
ческих
темпеературны
ых измереений. К материаалам для термопаар (термоэлектродн
ным материалам) предъявлляется ряяд требований: ж
жаропроч
чность,
химич
ческая сттабильноость, восп
производ
димость материалов (дляя обеспечен
ния взаим
мозаменяяемости термопар
р), заклю
ючающаяяся в оди
инаковой заависимоссти термооЭДС террмопары
ы от темпеературы (табл. 2.1).
Т
Термопа
ара, как и термом
метр сопр
ротивлени
ия, наход
дится в защитз
ной аррматуре, обеспеч
чивающей
й защиту
у термоэллектродоов от воздействий измеряем
и
мой сред
ды. В каачестве термоэле
т
ектродовв исполььзуется
провоолока диааметром 0,5–3 мм.
м Терм
моэлектрооды изоллированы
ы фарфороввыми буссами от защитногго чехла.
Спай
й
Р
Рис.
2.2. Электричес
Э
ская схема
термоэлектр
рического термомет
тра
17
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Таблица 2.1
Термоэлектрические преобразователи
стандартных градуировок
Диапазон Предельная
ДопусХимический состав
Термоэлектриизмеряемых температура
тимые
термоэлектрода
ческий
температур при краткопогрешпреобразовапри дливременном
ности,
тель
тельном
изизмерении,
положительный отрицательный
°С
мерении, °С
°С
ХромельХромель
Копель
копель
(89 % Ni,
(55 % Cu,
(ТХК)
9,8 % Сr,
45 % Ni)
–50–600
800
±5,8
1 % Fe,
0,2 % Mn)
ХромельХромель
Алюмель
алюмель
(89 % Ni,
(94 % Ni,
(ТХА)
9,8 % Сr,
2 % Al,
–50–1000
1300
±9,7
1 % Fe,
2,5 % Mn,
0,2 % Mn)
1 % Si,
0,5 % Fe)
Платинородий- Платинородий Платина
платина
(90 % Pt,
(100 % Pt)
0–1300
1600
±3,6
(ТПП)
10 % Rh)
Платинородий- Платинородий Платинородий
платинородий (70 % Pt,
(94 % Pt,
300–1600
1800
±5,2
(ТПР)
30 % Rh)
6 % Rh)
Вольфрамре- Сплав вольфрама с рением
ний(95 % W,
(80 % W,
0–2200
2500
±9,7
вольфрамре5 % Re)
20 % Re)
ний (ТВР)
Приборы, работающие в комплекте с термопарами: магнитоэлектрические милливольтметры и автоматические потенциометры.
Принцип действия милливольтметра основан на взаимодействии
магнитного поля неподвижного постоянного магнита и постоянного
тока, протекающего через подвижную рамку. Сила тока в измерительной цепи зависит от сопротивления измерительной цепи и величины термоЭДС, создаваемой термопарой.
Потенциометры являются наиболее распространенными вторичными приборами, работающими в комплекте с термопарами.
Принцип их действия состоит в том, что измеряемая ЭДС уравновешивается (компенсируется) равным ей по величине, но обратным по
знаку известным напряжением от вспомогательного источника.
18
2. Датчики температуры
2.2. Бесконтактные методы
измерения температуры
Основные законы теплового излучения. О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны
различной длины. Чем выше температура тела, тем бóльшую энергию
оно излучает.
Участок спектра в интервале длин волн 0,02–0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому излучению, участок 0,4–0,76 мкм – видимому, участок 0,76–400 мкм – инфракрасному.
Интегральное излучение (полное излучение) – это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн.
Монохроматическим (спектральным) называется излучение определенной длины волны.
Измерение температуры тел по их тепловому излучению основывается на закономерностях, полученных для абсолютно черного тела. Под абсолютно черным телом подразумевается такое тело, которое полностью поглощает весь падающий на него лучистый поток.
В природе абсолютно черных тел нет и лишь некоторые из них по оптическим свойствам близки к ним (Нефтяная сажа, платиновая чернь,
черный бархат в видимой области спектра имеют коэффициенты поглощения, близкие к единице.). В качестве модели абсолютно черного
тела находит применение, например, полый многогранник из графита
с небольшим отверстием в боковой стенке.
Зависимость интенсивности монохроматического излучения Iλ0
абсолютно черного тела от температуры описывается уравнением
Планка:
I λ 0 = C1λ
−5
C2
λ
(e T
− 1)−1 ,
где λ – длина волны, м; T – температура, К; C1 и C2 – постоянные
Планка, C1 = 3,7413 ⋅ 10–6 Вт⋅м2; С2 = 1,438 ⋅ 10–2 м⋅К.
При температуре до 3 000 К формула Планка может быть с достаточной точностью (погрешность не более 1 %) заменена формулой
Вина:
I λ 0 = С1λ
−5
− C2
e λT
.
19
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Интеграл от интенсивности излучения по всем длинам волн дает
плотность интегрального излучения Е0, которая называется полной
мощностью излучения (закон Стефана – Больцмана):
4
⎛ T ⎞
E0 = C0 ⎜
⎟ ,
⎝ 100 ⎠
где С0 = 5,67 Вт/(м2К4) – коэффициент излучения абсолютно черного
тела.
Реальные тела при одинаковых температурах обладают меньшей
плотностью потока излучения, которая характеризуется степенью
черноты ε (спектральной ελ или полной ε∑). Коэффициенты ελ и ε∑
зависят от температуры, химического состава и состояния поверхности.
Пирометры. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6 000 °С и выше. Одним из
главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния
измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе
измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.
Оптические и фотоэлектрические пирометры относятся к пирометрам частичного излучения. Их принцип действия основан на
измерении интенсивности монохроматического излучения путем
сравнения спектральных энергетических яркостей нагретого тела
и эталонной пирометрической лампы накаливания.
Из полного спектра излучения при помощи специального светофильтра выделяется узкий интервал с заданной длиной волны λ + Δλ.
Для выделения узкой области спектра в этих пирометрах используют
красный светофильтр из стекла типа КС-15 толщиной 2 мм. Такой
светофильтр пропускает излучение длиной волны 0,63–0,68 мкм.
При измерении температуры реальных серых тел пирометром
частичного излучения, градуированным по излучению абсолютно
черного тела, определяется не истинная температура Т, а кажущаяся,
называемая яркостной температурой Тя, которая всегда меньше истинной.
Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой интенсивность спектрального излучения абсолютно
черного тела равна интенсивности спектрального излучения реального
20
2. Датчики температуры
тела при истинной температуре Т. Соотношение между температурами Т и Тя записывается в следующем виде:
1/Тя – (1/Т) = (λ/С2)ln (1/ελ).
Из этого уравнения по величине Тя определяется истинная температура Т с учетом реальных λ и ελ. Величина λ определяется цветом
светофильтра. Монохроматическая степень черноты ε определяется
по справочникам.
Радиоактивные пирометры. Принцип действия радиационных
пирометров (или пирометров полного излучения) основан на зависимости мощности излучения нагретого тела от его температуры.
В этих пирометрах тепловой поток нагретого тела концентрируется с помощью собирательной линзы или вогнутого зеркала на теплоприемнике. Пирометры с линзой называются рефракторными, а с вогнутым зеркалом – рефлекторными. В качестве теплоприемника используют обычно термобатарею (несколько последовательно
соединенных термопар) или термометр сопротивления. В качестве
вторичных приборов применяют милливольтметры, автоматические
потенциометры и мосты.
В металлургии наибольшее распространение получили радиационные пирометры рефракторного типа. Рефлекторные пирометры используют лишь для бесконтактного измерения температур от 20 до
300 °С, когда максимум энергии излучения значительно смещен в область длинных волн.
Измеряемая ими температура реального тела называется радиационной Тр. При этой температуре полная мощность излучения абсолютно черного тела равна полной мощности излучения реального тела при истинной температуре Т.
Используя закон Стефана–Больцмана, получаем
Т = Т р 4 (1 εΣ ) .
Радиационная температура Тр всегда меньше истинной Т, так как
степень черноты ε∑ < 1. Значение ε∑ приводится в справочниках. Так
как радиационный пирометр воспринимает энергию во всем спектре
излучения, то на его показания влияют пыль и сажа, содержащиеся
в воздухе, а также углекислый газ и водяные пары. На показания же
пирометров частичного излучения эти газы, как оптически прозрачные, не влияют.
21
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Цветовые пирометры. Принцип действия цветовых пирометров (или пирометров спектрального отношения) основан на зависимости отношения интенсивности монохроматического излучения для
двух заранее выбранных длин волн λ1 и λ2 от температуры нагретого
тела.
Этот метод измерения базируется на том, что при повышении
температуры максимум распределения энергии в спектре, по закону
Вина, смещается в сторону более коротких длин волн. Длина волн λ1
и λ2 выбирается обычно в красной, синей или красной и зеленой областях спектра.
Температура, измеренная таким образом, называется цветовой
температурой Тц. Она связана с истинной температурой Т соотношением, которое легко находится из уравнения Вина:
1 1
− =
T Tц
ln
ελ1
ελ 2
⎛ 1
1⎞
C2 ⎜ − ⎟
⎝ λ 2 λ1 ⎠
,
где ελ1, ελ2 – монохроматические степени черноты тела для длин волн
λ 1 и λ 2.
Из приведенного выражения следует, что для реальных тел,
у которых монохроматические степени черноты не зависят от длины
волны, температуры Тц и Т совпадают.
Лабораторная работа 1. Испытание датчиков температуры
Цель работы – определение погрешности встроенного в электронагреватель датчика температуры с помощью термопреобразователя сопротивления ТС 125-50М.В2.60. Определение характеристик
термоэлектрического преобразователя ТПК 225-010.80, датчика температуры LМ 60, полупроводникового термометра КТ 110.
Перечень применяемой аппаратуры приведен в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Перечень аппаратуры
Прибор
G1 – однофазный источник питания
А7 – электронагреватель
А3 – блок мультиметров
Набор датчиков температуры
22
Тип
218.1
394.1
509
600.13
Параметры
~220 В/15А
30–100 °С, источник питания +5 В
LМ 60, LМ 65
4 датчика
2. Датчики температуры
Краткие теоретические сведения. При выполнении работы используется электронагреватель А7 (рис. П.1, прил. 1). В блок встроен
нагреватель с измерителем – регулятором температуры. Испытываемый
датчик вставляется в отверстие на лицевой панели нагревателя и с помощью мультиметра измеряется его напряжение или сопротивление.
Электрические схемы соединений при испытании датчиков температуры показаны на рис. 2.3–2.5.
Рис. 2.3. Электрическая схема соединений при испытании
термосопротивления и термоэлектрического преобразователя
Рис. 2.4. Схема испытания полупроводникового
терморезистора КТ 110
23
Датчик
ки в систе
емах автом
матики на
а горных предприят
п
тиях
Рис. 2.5
5. Схема подключен
п
ния датчика темпер
ратуры LМ
М 60: 1 –
питание +5 (крас
сный пров
вод, штыр
рь 2 мм; 2 – питани
ие 0 (сиовод, шты
ырь 2 мм); 3 – выход
д датчика (черный провод,
ний про
шт
тырь 4 мм)); 4 – выхо
од 0 (синий
й провод, штырь 4 мм)
Термопрреобразовватель сопротивл
Т
ления ТС
Т 125-500М.В2.60
0 подключаается по схеме, см
м. рис. 2.3.
2 Мулььтиметр МY
М 65 иззмеряет напрян
жениее термопаары (предел 200 мВ
м посто
оянного тока).
т
П
Полупро
оводникоовый террморезисттор КТ 110 под
дключаеттся по
схеме, см. рисс. 2.4. Муультиметтр МY 65 измеряяет сопроотивлени
ие термореззистора.
Д
Датчик
т
температу
уры LМ 60 подкл
лючаетсяя по схем
ме, см. ри
ис. 2.5.
П
Провода
питанияя 1 и 2 поодключааются к соответст
с
твующим
м гнездам источник
и
ка питани
ия на ли
ицевой панели
п
э
электрон
агревателя А7
(394.11). Выход
дное напрряжение подключ
чается к гнездам измерен
ния напряжеения мулльтиметрра LМ 655. Одноф
фазный источникк питани
ия G1
предн
назначен для безопасного питания блоков А3
А И А7..
проведения эксперимент
П
Порядок
та:
П
Проверьт
те схемуу электроопитанияя блоков А7, А3 и G1. УбедиУ
тесь, что
ч выкллючатели
и «Сеть» этих бло
оков откллючены.
С
Соедини
ите блоки
и в соответствии
и со схем
мой элекктрически
их соединеений (рисс. 2.3, 2.44 или 2.5)) в зависи
имости от
о типа и
испытывааемого
датчика.
В
Выберит
те значен
ния температуры,, при котторых хоотите изм
мерить
сигналлы датчи
иков. Изз-за инеррционноссти нагреевателя целесооб
бразно
выбраать не боолее 5–7 точек в диапазо
оне темп
ператур д
до 100 °С
С. Начальное значен
ние – ком
мнатная температтура.
24
2. Датчики температуры
Включите устройство защитного отключения и автоматический
выключатель в однофазном источнике питания.
Включите выключатель «Сеть» блоков А7 и А3. Внимание!
Мультиметр LМ 65(509.3) неработоспособен, если он включен при
нажатии кнопки НОLD. Кнопку НОLD необходимо отжать.
При включении питания автоматический режим регулятора
температуры электронагревателя выключен. Установите требуемую
температуру (см. блок нагревателя). Включите автоматический режим
регулятора температуры. Начнется разогрев нагревателя (включены
светодиоды К1 и RS).
Измерьте сигналы датчиков от рук. Датчик необходимо брать за
корпус вблизи выводов. Из-за равенства температур холодного и горячего сплавов термоэлектрического преобразователя (термопары)
его ЭДС равна 0, а показания мультиметра, измеряющего эту ЭДС,
могут быть нестабильны.
После стабилизации температуры нагревателя вблизи заданного
значения поочередно вставьте каждый датчик в отверстие нагревателя
до упора. Выждите 2–3 минуты для стабилизации температуры и измерьте выходной сигнал датчика.
Задайте следующие значения температуры, дождитесь ее стабилизации и повторите измерения сигналов датчиков. При высоких
температурах датчиков будьте осторожны: не касайтесь рабочей части датчика, извлеченного из нагревателя.
По результатам измерений постройте графики зависимостей напряжения или сопротивления датчиков от температуры.
По завершении измерений отключите питание всех блоков.
По результатам испытаний термосопротивления ТС 125-50М.В2.60
определите погрешность измерения температуры встроенным датчиком электронагревателя. Для каждого измеренного значения сопротивления ТС 125-50М.В2.60 рассчитайте соответствующую ему температуру датчика по соотношению
T = (Rt – R0) / (α R0),
где Rt сопротивление датчика при температуре t; R0 – номинальное
сопротивление датчика при температуре 0 °С; α = 4,28 · 10–3 – температурный коэффициент меди.
Сравните значения температуры, рассчитанные по сопротивлению датчика ТС 125-50М, и определенные по показаниям встроенного
25
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
датчика электронагревателя. Определите погрешность встроенного
датчика нагревателя.
Выходное напряжение датчика LМ 60 связано с температурой
датчика соотношением Uвых = 6,25t + 425.
При испытании термоэлектрического преобразователя ТПК 225010,60 (термопара ХА хромель-алюмель) необходимо учесть температуру холодного спая, т. е. температуру окружающей среды (температуру внутри корпуса датчика в месте подключения проводников термопары к выводам). Эта температура вычисляется с использованием
сопротивления термопреобразователя ТС 125-50М.В2.60 при комнатной температуре. Использовав найденное значение температуры окружающей среды, определите температуру термоЭДС холодного спая
термопары по табл. 2.3. Сравните полученные значения со стандартной характеристикой термопары ХА из табл. 2.3.
Таблица 2.3
Характеристика термопары ХА
Температура
горячего спая,
t °С
0
10
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0,65
1,31
0,07
0,72
1,38
0,13
0,78
1,44
0,20
0,85
1,51
0,26
0,91
1,57
0,33
0,98
1,64
0,39
1,05
1,70
0,46
1,11
1,77
0,52
1,18
1,84
0,59
1,24
1,91
30
1,98
2,05
2,12
2,18
2,25
2,32
2,38
2,45
2,52
2,59
40
50
60
2,66
3,35
4,05
2,73
3,42
4,12
2,80
3,49
4,19
2,87
3,56
4,26
2,94
3,63
4,33
3,00
3,70
4,41
3,07
3,77
4,48
3,14
3,84
4,55
3,21
3,91
4,62
3,28
3,98
4,69
70
4,76
4,83
4,90
4,98
5,05
5,12
5,20
5,27
5,34
5,41
80
90
5,48
6,24
5,56
6,29
5,63
6,36
5,70
6,43
5,76
6,51
5,85
6,58
5,92
6,65
5,99
6,73
6,07
6,80
6,14
6,67
ТермоЭДС, мВ
Примечание. При определении характеристики только одного
датчика порядок выполнения эксперимента можно изменить.
Соберите одну из схем, см. рис. 2.6–2.8.
Установите испытываемый датчик в отверстие нагревателя.
Задайте температуру 100 °С и включите автоматический режим
регулятора температуры. Дождитесь установления заданной температуры и выключите автоматический режим регулятора.
По мере снижения температуры нагревателя измерьте выходной
сигнал датчика (напряжение или сопротивление в зависимости от типа
26
2. Датчики температуры
датчика) при нескольких значениях температуры в диапазоне 100–30 °С.
Ориентировочное время остывания датчика 15–30 мин.
Обработайте результаты эксперимента в соответствии с приведенными выше рекомендациями.
Задания для самопроверки и контроля
1. Существующие шкалы термометров.
2. Классификация приборов для измерения температуры.
3. Классификация приборов, измеряющих температуру контактным способом.
4. Бесконтактные термометры.
5. Термометры расширения.
6. Манометрические термометры.
7. Электрические термосопротивления.
8. Приборы, работающие с термосопротивлениями.
9. Темоэлектрические приборы.
10. Основные законы термоизлучения.
11. Виды пирометров.
27
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
3.
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ
Давление – это результат воздействия какой-либо силы на единицу поверхности. За единицу давления принят паскаль (Па) – сила
в один ньютон, приложенная к поверхности в 1 м2 (Н/м2).
Различают следующие виды давления:
• атмосферное (барометрическое), т. е. давление воздушного
столба земной атмосферы;
• избыточное (манометрическое), т. е. превышение давления
над атмосферным;
• абсолютное (полное), т. е. сумма атмосферного и избыточного
давления.
Если абсолютное давление меньше атмосферного, то избыточное давление становится отрицательным. В этом случае говорят
о разрежении или вакууме, т. е. о разности между барометрическим
и абсолютным давлениями.
Для движущейся среды существуют понятия статического, динамического (скоростной напор) и полного давления, равного сумме
статического и динамического.
Приборы для измерения давления классифицируют по виду измеряемого давления и принципу действия.
По виду измеряемого давления приборы подразделяют на:
1) манометры – для измерения избыточного и абсолютного давления;
2) барометры – для измерения атмосферного давления;
3) вакуумметры – для измерения вакуума (разрежения);
4) мановакуумметры – для измерения избыточного давления
и вакуума (разрежения);
5) напоромеры (микроманометры) – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа);
6) тягомеры (микроманометры) – для измерения малых разрежений (с верхним пределом измерения не более 40 кПа);
7) тягонапоромеры (микроманометры) – для измерения малых
давлений и разрежений (с диапазоном измерений от – 20 до
+20 кПа).
8) дифференциальные манометры – приборы для измерения разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды.
28
3. Датчики давления
По принципу действия приборы для измерения давления подразделяют на жидкостные, деформационные (пружинные), электрические.
Жидкостные манометры и дифманометры. В этих приборах
измеряемое давление уравновешивается давлением столба рабочей
жидкости, заполняющей прибор. Они подразделяются на манометры
с U-образной трубкой, чашечные, с наклонной трубкой, кольцевые
весы, поплавковые, колокольные.
U-образный манометр (рис. 3.1, а) – наиболее простой жидкостный прибор для измерения давления, вакуума или разности двух
давлений. Он состоит из стеклянной трубки 1, 2, согнутой в форме
буквы U и укрепленной на основании 3 с миллиметровой шкалой 4.
Двусторонняя шкала имеет нулевую отметку в середине. До нулевой
отметки U-образная трубка заполняется рабочей жидкостью (ртуть,
спирт, вода). При измерении давления или разрежения один конец
трубки присоединяется к источнику давления (разрежения), а второй –
свободно сообщается с атмосферой. В зависимости от того, измеряется избыточное давление или разрежение, уровень рабочей жидкости
в трубке, сообщающейся с атмосферой, в первом случае повысится,
а во втором – понизится.
Верхний предел измерения U-образным манометром не выше
200 кПа, но обычно этот манометр применяют для измерения более
низких давлений.
Чашечные манометры (рис. 3.1, б) являются разновидностью
U-образных манометров, отличаясь тем, что у них второе колено заменено сосудом (чашкой) диаметром примерно в 20 раз больше, чем
стеклянная трубка. Это позволяет производить отсчет только по одному уровню, что по сравнению с U-образным манометром, когда
складываются показания двух отсчетов, значительно проще.
У чашечных манометров с вертикальной трубкой верхний предел измерения составляет 1 600, 4 000, 6 000 и 10 000 Па. Приведенная погрешность равняется 0,025 %.
Дифманометр типа «кольцевые весы» (рис. 3.2) состоит из
полого кольца 1, разделенного перегородкой на две части и заполненного наполовину рабочей жидкостью (вода, трансформаторное масло
или ртуть). При помощи перекладины 2 и призмы 3 кольцо свободно висит на подушке 4. В стенку кольца вделаны два патрубка 5,
по которым во внутренние полости кольца подаются импульсы давления.
29
Датчик
ки в систе
емах автом
матики на
а горных предприят
п
тиях
а
Рис. 3.1. Схемы
ы манометр
ров: а – U-образного
Uо; б
б
чашечного
Рис. 3.2. Дифмано
ометр типа
а «кольцев
вые весы»
30
3. Датчики давления
В нижней части кольца симметрично с перегородкой укреплён
груз 6, а на перекладине имеются передвижные балансировочные грузики 7. Если давления в обеих полостях кольца равны между собой,
т. е. Р1 = Р2, то и уровни жидкости в них будут одинаковы, а перегородка и груз 6 будут находиться на вертикальной оси, проходящей
через центр кольца.
Если, например, Р1 > Р2, то жидкость в левой части кольца опустится, а в правой поднимется так, что разность уровней жидкости
h = (Р1 Р2) / (ρg).
Столб жидкости в правой части кольца высотой h уравновесит
разность давлений в полостях кольца (Р1 – Р2), действующих на поверхности жидкости. Кроме воздействия на поверхность жидкости
давление будет действовать на внутренние стенки кольца и на перегородку, разделяющую кольцо на две полости. Действие давления на
внутренние стенки кольца радиально и поэтому не создаёт вращающего момента, а на разделяющую перегородку создаёт вращающий
момент, поворачивающий кольцо по часовой стрелке. Противодействующий момент создаётся грузом 6.
Верхний предел измерения таких приборов при использовании
в качестве рабочей жидкости воды или трансформаторного масла составляет 2,425 кПа, а если рабочая жидкость – ртуть, то верхний предел составляет 33,325 кПа.
Класс точности «кольцевых весов» 1; 1,5.
Деформационные (пружинные) манометры. В металлургических процессах измерение давлений в большинстве случаев осуществляется деформационными приборами.
Принцип действия деформационных приборов основан на уравновешивании измеряемой величины (давления, разрежения, разности
давлений) силами деформации различных упругих элементов, причем
величина этой деформации служит мерой измеряемой величины.
Деформационные приборы широко применяют как в производственных условиях, так и в лабораторной и поверочной практике. Они
имеют простую и надежную конструкцию, широкий диапазон измерений и обладают возможностью дистанционной передачи.
В качестве упругих элементов в приборах для измерения давления применяют следующие устройства: трубчатые, винтовые, гармониковые пружины (или сильфоны), упругие и «вялые» мембраны,
мембранные коробки.
31
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Рис. 3.3. Манометр с одновитковой
трубчатой пружиной
Наиболее распространенный вид деформационных приборов –
трубчато-пружинные манометры. Они представляют собой изогнутую по окружности металлическую упругую трубку овального сечения. Под действием давления внутри трубки она частично раскручивается вследствие деформации ее сечения, которое стремится принять
форму круга.
На основе трубчатых пружин строят и вакуумметры. Они имеют
устройство, аналогичное манометру, но при разрежении трубка скручивается и стрелка двигается справа налево. В промышленности применяют мановакуумметры, которые имеют двухстороннюю шкалу:
слева от нуля отсчитывается вакуум, справа избыточное давление.
На рис. 3.3 показан манометр с одновитковой трубчатой пружиной 5, изогнутой по кругу, которая в сечении имеет форму эллипса
или удлинённого овала. Эта пружина одним концом впаяна в держатель 11 и соединена с измеряемой средой, другой конец трубки пружины заглушен пробкой 9 и соединен поводком 10 с зубчатым сектором 8. В корпусе манометра 4 также находятся спиральная пружина
(волосок) 6 и пластина 7.
Давление подаётся через штуцер 1 внутрь пружины, т. е. прибор
измеряет перепад давлений внутри и снаружи трубчатой пружины.
Под действием перепада давлений внутри и снаружи трубчатой пружины её поперечное сечение деформируется, в слоях материала пружины возникают растягивающие и сжимающие напряжения,
32
3. Датчики давления
которые вызывают перемещение её подвижного конца. Распрямление
или скручивание пружины происходит до тех пор, пока силы упругости пружины не уравновесят силы, созданные перепадом давлений.
При этом поводок 10 поворачивает зубчатый сектор 8, а связанная
с ним шестерня поворачивает ось со стрелкой 2, перемещающейся
вдоль шкалы 3. Среднее значение длины трубчатой пружины во время работы остается неизменным.
Манометры с одновитковой трубчатой пружиной применяются
для измерения давления от 0,025 до 1 000 МПа.
Гармониковые пружины (сильфоны) представляют собой
тонкостенные цилиндрические сосуды с кольцевыми складками
(гольфами). Измеряемое давление подводится через штуцер. При этом
сильфон сжимается или растягивается и воздействует на шток, с которым связана стрелка, двигающаяся относительно шкалы. С помощью сильфона можно измерить разность давлений, если к штуцеру
подвести большее, а к внутренней полости – меньшее давление.
Сильфоны рассчитаны на максимальное давление не выше
5
4 · 10 Па; их изготавливают из латуни, фосфористой и бериллиевой
бронзы.
Электрические манометры. Электрические приборы используются главным образом для специальных целей, например при измерениях сверхвысоких давлений, вакуума или давлений, пульсирующих с высокой частотой. Действие этих приборов основано на
преобразовании давления в электрический параметр, функционально
связанный с давлением. Находят применение следующие электрические приборы: с тензопреобразователями, пьезоэлектрические, тепловые, электронные (или ионизационные), радиоактивные манометры.
В пьезоэлектрических манометрах используется пьезоэлектрический эффект: образование на поверхности пластинки из некоторых
кристаллов (кварц, турмалин, сегнетовая соль, титанат бария и др.)
электрических зарядов при сжатии или растяжении. В большинстве
случаев для изготовления пьезоэлектрических датчиков применяют
кварц благодаря его механической прочности и постоянству пьезоэлектрической константы в интервале температур от 0 до 500 °С.
Для измерения пьезоэлектрических зарядов применяют электрометры или электрометрические усилители (усилители с большим
входным сопротивлением) с выходом на обычный измерительный прибор. Пьезоэлектрические манометры с кварцевыми чувствительными
33
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
элементами имеют верхние пределы измерений 2,5–100 МПа. Классы
точности 1,5; 2,0. Применяются для измерения быстроизменяющихся
давлений.
Манометры с тензопреобразователями. Манометры применяют для измерения высоких и сверхвысоких давлений, достигающих
3 000 МПа. Принцип действия этих манометров основан на изменении электрического сопротивления проводников (например, манганина) в зависимости от приложенного давления.
Принцип действия тензометрического преобразователя состоит в преобразовании усилия или пропорциональной ему деформации
в изменение сопротивления проволоки, наклеенной на поверхность
тела, которое подвергается деформации. Тензометр представляет собой тонкую проволоку (диаметр 0,01–0,05 мм), наклеенную на изоляционное основание (бумагу или пластмассу). В качестве материала
для проволоки используют манганин, нихром, константан и др.
К концам проволоки припаивают выводы. В таком виде тензометр наклеивают на поверхность детали, подвергающейся деформации.
К преимуществам тензометров относятся: малая инерционность,
линейность характеристики R = f(P), возможность размещения
в труднодоступных местах и достаточно малая погрешность, не превышающая ± 2 %. Недостатки: малая чувствительность и зависимость
от температуры.
Измерительными приборами служат обычно мостовые схемы,
в одно плечо которых включается измерительный тензометр, а в смежное – компенсационный тензометр. Компенсационный тензометр не
подвергается деформации и служит для компенсации температурных
влияний окружающей среды.
Кроме проволочных получили распространение полупроводниковые тензорезисторы, изготавливаемые из кремния и германия. Сопротивление полупроводниковых тензорезисторов от 5 · 10–2 до 10 кОм.
Промышленные датчики давления. В датчиках давления
Rosemount используются два вида сенсорных модулей на базе емкостной и пьезорезистивной ячеек. Для датчиков перепада и избыточного
давления применяется сенсор на базе емкостной ячейки. Конструкция
представляет собой полностью герметичный узел. В состав узла входят плата электроники и емкостной преобразователь давления. Основной и дублирующий сенсоры емкостной ячейки увеличивают надежность датчика и значительно улучшают метрологические характеристики.
34
3. Датчики давления
Воздействие давления через разделительные мембраны и разделительную жидкость передается к измерительной мембране, расположенной в центре емкостной ячейки. Это вызывает изменение положения измерительной мембраны, что приводит к появлению разности
емкостей между измерительной мембраной и пластинами конденсатора, расположенным по обеим сторонам от измерительной мембраны. Разность емкостей измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в выходной сигнал.
Для датчиков абсолютного и избыточного давлений используется сенсор на базе пьезорезистивной ячейки.
Интеллектуальные датчики давления серии «Метран» предназначены для непрерывного преобразования в унифицированный токовый выходной сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте протокола
HART входных измеряемых величин (избыточного, абсолютного давлений и перепада давлений). Датчик состоит из сенсора и электронного преобразователя. Сенсор – емкостный или тензорезистивный тензомодуль на кремниевой подложке.
Чувствительным элементом тензомодуля является пластина из
кремния с пленочными терморезисторами (структура КНК – кремний
на кремнии) или пластина монокристаллического сапфира с кремниевыми плёночными тензорезисторами (структура КНС). Через разделительные мембрану и жидкость давление передается на чувствительный
элемент тензомодуля. Воздействие давления вызывает изменение положения чувствительного элемента, при этом изменяется электрическое сопротивление его тензорезисторов, что приводит к разбалансу
мостовой схемы. Электрический сигнал разбаланса измеряется АЦП
и подаётся в электронный преобразователь, который преобразует это
изменение в выходной сигнал.
Во время процедуры характеризации на заводе все сенсоры подвергаются воздействию температур и давления во всём рабочем диапазоне.
В результате характеризации коэффициенты коррекции заносятся в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и используются для коррекции выходного сигнала при работе датчика в условиях эксплуатации.
Лабораторная работа 2. Исследование датчика давления
Цель работы – определение характеристик аналогового дифференциального датчика давления, т. е. зависимости выходного напряжения от разности давлений на входе датчика.
Перечень применяемой аппаратуры приведен в табл. 3.1.
35
Датчик
ки в систе
емах автом
матики на
а горных предприят
п
тиях
Табл
лица 3.1
Перече
ень аппар
ратуры
Приборы
П
G1 – однофазный
о
й источникк питания
Тип
218.1
А5 – блок
б
испыттания датчи
ика давлени
ия
397
А2 – блок
б
счетчи
ика импулььсов
409
А3 – блок
б
мультиметров
509.3
Параметры
ы
~ 220 В / 16 А
–2–2 кПа,,
±2 + 2,5 В,
Выхходы источ
чника
питаания +5 В, +24
+ В
M
MY60T; MY
Y65
Краткиее теорет
К
тические сведенияя. При выполнен
нии работты испытыввается бллок датчи
ика давлления А6 (397), см
м. рис. 3.4. В бло
оке А6
устаноовлен даатчик даавления МРХ700
М
2РV и водяной
в
манометтр для
создан
ния и изм
мерения разности
р
и давлени
ий.
Пееремещен
нием заж
жимов 7 и 8
(рис. 3.4
4) задаеттся разноость ∆h высот
уровней жидкостти в трубках ман
нометра. Разн
ность выссот в 1 м
мм (1 мм
м водяного сто
олба) сооответстввует давл
лению
в 9,8 Паа. Для поолучения разностти давлений в 1 кПа необход
дима раззность
уровней воды 1000/9,8 = 102 мм
м. При
номинал
льной чуувствителльности датчид
ка 1 В/ккПа разн
ности уровней 10
02 мм
будет со
оответстввовать оттклонени
ие выходного напряж
жения наа ±1,02 В от
среднего
о значен
ния напрряжения 2,5 В
(при нап
пряжении
и питанияя 5 В).
Электричесская схем
ма соеди
инений
ытании датчика
д
д
давленияя покапри испы
зана на рис.
р 3.5.
Рис. 3.4. Блок испы
ытания да
атчика дав
вления:
ик давлени
ия; 2, 3 – гнезда питания
п
1 – датчи
датчика +5
+ В, 0 В; 4 – гнезд
до выходн
ного напряжения
я датчика
а (относит
тельно 0 В); 5 –
трубка во
одяного ма
анометра; 6 – линей
йки для
измерени
ия разност
ти уровней
й воды в трубках
т
манометр
ра; 7, 8 – зажимы тр
рубок мано
ометра
36
3. Датчики давления
~220 B
1
0
1
0
0B
+5 B
0B
218.1
409
G1
A2
397
A6
509.3
A3
Рис. 3.5. Электрическая схема соединений
при испытании датчика давления
На гнезда питания датчика давления 2, 3 (рис. 3.4) подается постоянное напряжение +5 В от источника питания в блоке счетчика
импульсов А2 (409). Напряжение на выходе датчика 4 (рис. 3.4) измеряется одним из мультиметров блока А3 (509.3).
Однофазный источник питания G1 предназначен для безопасного питания блоков А2, А3, А6.
Порядок проведения эксперимента:
Проверьте схему электропитания блоков А2, А3 и G1. Убедитесь, что выключатели «Сеть» этих блоков отключены.
Соедините блоки в соответствии с электрической схемой соединений на рис. 3.5.
Включите устройство защитного отключения и автоматический
выключатель в однофазном источнике питания G1.
Включите выключатель «Сеть» блоков А2 (409) и А3 (509.3).
Внимание! Мультиметр MY 65 (блок 509.3) неработоспособен, если
он включен при нажатой кнопке HOLD. Кнопку HOLD необходимо
отжать.
Передвиньте зажимы трубок манометра вдоль линеек, установите несколько значений разности уровней воды в пределах 0–110 мм
и измерьте выходное напряжение датчика давления. Когда уровень воды в левой (по рис. 3.4) трубке станет выше уровня воды в правой, напряжение на выходе датчика превысит 2,5 В (положительная разность
37
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
давлений). Если уровень воды в левой трубке ниже уровня в правой,
то разность давлений отрицательна и напряжение на выходе датчика
ниже 2,5 В.
Результаты измерений занесите в таблицу и постройте график
зависимости напряжения на выходе датчика от разности давлений.
По завершении измерений отключите питание всех блоков.
Задания для самопроверки и контроля
1. Основные виды давления.
2. Классификация приборов измерения давления.
3. Принцип работы дифманометров.
4. Принцип работы электрических манометров.
5. Принцип работы манометров с тензопробразователями.
6. Промышленные датчики.
38
4. Датчики скорости
4.
ДАТЧИКИ СКОРОСТИ
Датчики скорости предназначены для преобразования угловой
скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал. В системах автоматизированного электропривода они используются для реализации обратной связи по скорости и подразделяются на
тахогенераторы постоянного тока, переменного тока и частотные.
Тахогенератор постоянного тока представляет собой электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением
или постоянными магнитами (рис. 4.1). Вал тахогенератора соединен
с выходным валом двигателя или механизма. Выходное напряжение
Uвых пропорционально угловой скорости ω.
Чувствительность тахогенератора постоянного тока порядка
15–25 мВ/(об/мин), точность измерения 0,5 2,5 % (для прецизионных
тахогенераторов 0,05– 01 %).
Для дополнительного снижения пульсаций, обусловленных конечным числом коллекторных пластин, зубцовой конструкцией якоря,
несимметрией воздушного зазора, к выходу тахогенератора подключают конденсатор. При этом передаточная функция имеет вид
Wтг(р) = Uвых(р)/ω(р) = kтг/(Тф р + 1).
Постоянная времени Тф определяется по формуле
Тф = Rтг C /(1 + Rтг / Rн).
Передаточный коэффициент kтг находится из следующей системы уравнений:
Етг = сеФω = I (Rтг + Rн);
kтг = I Rн/ω.
Он равен
kтг = сеФ / (1 + Rтг / Rн),
где се = рN/2πα – конструктивная постоянная; Ф – магнитный поток возбуждения, Вб; Rтг – сопротивление якорной обмотки и щеточного контакта, Ом; С – емкость фильтра, Ф; Rн – сопротивление нагрузки, Ом.
Конденсатор выполняет функцию фильтра высокочастотных
пульсаций относительно угловой скорости. Чем больше Тф, тем
меньше пульсации в выходном напряжении тахогенератора. При этом
ограничивается частотная полоса пропускания
39
Датчик
ки в систе
емах автом
матики на
а горных предприят
п
тиях
Рис. 4.1.
4
Тахоге
енератор
по
остоянного
о тока
Рис. 4..2. Регулир
ровочная
характери
х
истика тах
хогенерато
ора
Передатоочный кооэффици
П
иент тахо
огенератора, строого гово
оря, не
остаеттся постооянным при
п измеенении сккорости из-за
и
неллинейноссти сопроти
ивления щеточног
щ
го контаккта и реаакции якоря, поэттому в регулировоч
чной харрактеристтике наб
блюдаетсся опред
деленная нелиней
йность
в зонаах малой
й и больш
шой скорростей (р
рис. 4.2). Внесени
ие ряда конструктивных изм
менений
й и увели
ичение Rн позволляет считтать регу
улирол
й в пред
делах раб
бочего
вочнуую харакктеристикку практтически линейной
участкка, т. е. kтг = соnstt.
Н
Недостат
тком таххогенераттора посттоянногоо тока яввляются значиз
тельны
ые погрешности
и, связан
нные с наличием
н
м щеточного кон
нтакта
и темп
пературн
ной нестаабильносстью (изм
менением
м сопроттивления обмоток и магнитной прони
ицаемостти стали).
Т
Тахоген
ераторы
ы переменного тока (ассинхронн
ные, син
нхронные) применяю
п
ют с выхходом наа постоян
нном токке через п
полупровводниковый
й выпрям
митель.
С
Синхронн
ный таххогенератор преедставляеет собой
й синхро
онную
машин
ну малой
й мощности. Его возбужд
дение осууществляяется от постоп
янного магнитта, распооложенноого на роторе. Выходные
В
е обмоткки выполнеены по одно- или
и трехфазной схееме и рассположен
ны на сттаторе.
Отсуттствие щеточного
щ
о контаккта обесп
печиваетт высокуую надеж
жность
работы
ы. Недосстаток си
инхронны
ых тахоггенераторров – заввисимостть частоты выходног
в
го напряжения отт скоростти вращеения.
У асинхрронных тахогене
т
ераторовв частотаа выходн
ного нап
пряжения нее зависитт от скоррости враащения. Статор
С
а
асинхрон
ного тах
хогенератораа имеет две
д обмотки, расп
положенн
ные под углом π//2 (рис. 4.3)
К
Короткоз
замкнуты
ый роторр обычно
о выполн
няют в ви
иде тонккостенного цилиндр
ц
а, внутри котороого разм
мещается неподви
ижный шихтош
ванны
ый сердеч
чник. Поо нему замыкает
з
тся магни
итный п
поток. Од
дна из
40
4. Датчики скорости
обмоток статора является обмоткой
возбуждения. На нее подается переменное напряжение. С другой обмотки снимается выходное напряжение. При неподвижном роторе
выходное напряжение равно нулю,
так как оси обмоток взаимно перпендикулярны.
При вращении ротора в поле
обмотки возбуждения в нем возникают токи и соответствующий им
магнитный поток пересекает проводники выходной обмотки; ЭДС,
наводимая в ней, пропорциональна
Рис. 4.3. Тахогенератор
переменного тока
скорости вращения, а частота равна
частоте напряжения возбуждения.
При изменении направления вращения изменяется фаза наводимой
ЭДС на величину, равную π.
Эмиттерный повторитель
Тахогенератор
Рис. 4.4. Схема согласования асинхронного тахогенератора
с низкоомной нагрузкой
41
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Чтобы сгладить пульсации выпрямленной ЭДС с тахогенератора
переменного тока, на его выходе устанавливают фильтр, представляющий собой обычное апериодическое звено. Существенные амплитудные и фазные искажения в выходное напряжение может вносить
сопротивление нагрузки. Поэтому на практике обычно используют
тахогенератор в режиме, близком к холостому ходу. Для его реализации тахогенератор соединяют с нагрузкой через эмиттерный повторитель, обладающий высоким входным сопротивлением (рис. 4.4).
В пределах рабочего участка зависимость ЭДС тахогенератора от его
скорости может быть принята линейной, тогда Wтг(р) = kтг = соnst.
Недостатками асинхронных тахогенераторов являются небольшая
выходная мощность и ограничение полосы пропускания частоты питающего напряжения. По сравнению с тахогенераторами постоянного
тока асинхронный обладает меньшим передаточным коэффициентом.
Частотные тахогенераторы. Для высокоточных цифровых систем стабилизации скорости двигателей применяют частотные тахогенераторы – импульсные датчики скорости. Они подразделяются на
индукционные, фотоэлектрические. Одна из конструкций частотного
индукционного датчика показана на (рис. 4.5). Ротор 2 датчика представляет собой стальной диск с зубцами. Сердечник 1 из трансформаторной стали с одной обмоткой установлен так, чтобы между ним
и ротором был требуемый зазор. Обмотка питается постоянным током, создающим магнитный поток. Он замыкается через сердечник,
воздушный зазор, зубцы и тело ротора. При вращении ротора со скоростью ω величина зазора периодически изменяется. Вследствие этого в обмотке наводится ЭДС датчика скорости с частотой
f = ω р / (2π),
где p – число зубцов ротора.
На рис. 4.6 приведена схема рассматриваемого датчика. Фильтр
из конденсатора и дросселя разделяет постоянную и переменную составляющие напряжения на обмотке датчика. Для усиления сигнала
переменного тока используют усилитель, который одновременно
служит формирователем прямоугольных импульсов. Импульсы датчика преобразуются далее в сигнал в цифровом коде при помощи, например, цифрового преобразователя частоты в ток, который поступает в систему управления. Посредством интегрирующего усилителя
импульсы тока могут быть преобразованы в аналоговый сигнал, пропорциональный скорости.
42
4. Датчики скорости
Рис. 4.5. Индукционный датчик скорости
Рис. 4.6. Схема индукционного датчика скорости
Недостатком этого датчика является невозможность определения направления вращения.
Фотоимпульсные датчики. В настоящее время наибольшее
распространение получили фотоимпульсные круговые датчики. Принцип действия таких датчиков показан на рис. 4.7.
Основным узлом датчика является вращающийся на его валу
стеклянный диск с нанесенными темными штрихами. Это так называемый растровый диск (РД). Наиболее распространены диски
43
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
с количеством штрихов 1 000 и 2 500. Источником сигналов с такого
датчика являются два фотодиода VD1 и VD2, засвечиваемые через РД
от светодиода СD. Фотодиоды VD1 и VD2 сдвинуты относительно
друг друга на одну четверть периода импульсов. В соответствии
с этим при вращении датчика поступающие от фотодиода сигналы
сдвинуты относительно друг друга на угол π/2 (рис. 4.8). Один из этих
сигналов называется основным (ОСН), а другой – смещенным (СМ).
Можно выделить четыре последовательных комбинации сигналов от
датчиков: 10, 11, 01, 00. При вращении диска в обратном направлении –
последовательность обратная. Таким образом, от датчика р, имеющего N′ = 2500 штрихов, получаем 1000 переходов от одной комбинации
к другой. Частота смены комбинации прямо пропорциональна скорости вращения датчика f = 2 N′ ω / π.
Цифровые датчики скорости. В современных системах АЭП
с большими диапазонами регулирования скорости и высокими требованиями к стабилизации точность ТГ может оказаться недостаточной.
Для таких систем используются цифровые датчики скорости (ЦДС).
Функционально в ЦДС можно выделить две основные части: импульсный преобразователь скорости – датчик импульсов (ДИ), преобразующий угловую скорость вала в импульсы с частотой f, пропорциональной скорости; кодовый преобразователь – счетчик импульсов
(СИ), формирующий на интервале Т измерения цифровой код An выходной величины датчика скорости (рис. 4.9).
Датчик импульсов может быть выполнен на основе индуктосина
или фотоэлектрического кодового диска. В любом варианте он вырабатывает две серии импульсов, сдвинутых по фазе на π/2, которые используются для определения угловой скорости и ее знака. На рис. 4.10
изображен кодовый диск фотоэлектрического датчика импульсов. На
двух дорожках расположены пропускающие свет щели. Свет от источников ИС1 и ИС2 через щели попадает на фотодиоды ВL1 и BL2,
которые при этом открыты и пропускают ток. Когда щель выходит из
луча света, фотодиоды запирают цепь. При вращении диска с угловой
скоростью фотодиоды ВL1 и BL2 дают чередование максимального
и минимального сигналов с частотой
fди = ω /(2 π) Nди,
где Nди – импульсная емкость кодового диска, т. е. число импульсов
на один оборот диска.
44
4. Д
Датчики ск
корости
Рис. 4.7. Фотоимпу
ульсный
датчик
Рис. 4.8. Сдвиг сиггналов
от
т фотоимп
пульсных д
датчиков
Рис. 4.9. Струк
ктурная сх
хема цифр
рового дат
тчика скор
рости
Рис. 4.10
0. Кодовый диск фо
отоэлектри
ического датчика
д
им
мпульсов
Токовый
Т
й сигнал фотодиоода измееняется по
п формее и ампл
литуде
при изменении
и скороссти вращ
щения. По
оэтому для
д получчения стаабильс
в с неиззменными
и ампли
итудой и продоллжительн
ностью
ных сигналов
в состтав датчи
ика импульсов вводят узел
л формиррования выходны
ых импульсов (рис. 4.11). В усилиттеле А то
оковый сигнал
с
ф
фотодиод
да ВL1
45
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
усиливается и симметрируется по полярности UУ1. Усилитель, собранный на транзисторах VT1 и VT2 и работающий с использованием
положительной связи в релейном режиме, дает на выходе прямоугольные импульсы U1 с постоянной амплитудой, равной Uп, но с переменной продолжительностью. Выходной импульс Uвых с неизменными амплитудой и продолжительностью t формируется с помощью
одновибратора. Диаграмма работы описанного узла приведена на
рис. 4.12. Аналогичный узел имеется и для импульсов второй дорожки кодового диска с фотодиодом BL2. Для каждого направления вращения в датчике импульсов имеется свой выходной канал.
Рис. 4.11. Узел формирования выходных импульсов
Рис. 4.12. Диаграмма формирования выходного сигнала
датчика импульсов
46
4. Д
Датчики ск
корости
Ри
ис. 4.13. Схема
С
разд
деления по
п времени
и импульсо
ов
дв
вух канало
ов в датчи
ике скорос
сти
Выделен
В
ние импуульсов происходи
п
ит на кааналах п
положитеельной
(напраавление вперед, Uвых.в) или
и
отриц
цательноой (напраавление назад,
Uвых.н) скоростти (рис. 4.13). На
Н первом выход
дном кан
нале имп
пульсы
Uвых.в появляю
ются при таком нааправлении вращения, при
и которо
ом сигжает сигн
нал U1 поо фазе на π/2, а элемент
э
совпаден
ния И1
нал U2 опереж
откры
ыт для им
мпульсов Uвых1. Прри другом
м направвлении врращения,, когда
U2 отсстает от U1 по фаззе на π/2, элементт совпадеения И2 ооткрыт для импульсоов Uвых2, которые поступаают на вто
орой выхходной каанал Uвыхх.н.
Ф
Формиро
ование цифровог
ц
го кода на выходе датччика ско
орости
с помоощью сч
четчика может
м
вы
ыполнятьься двоякко. На зад
данном периоп
де изм
мерения Т счетчи
ик можетт подсчиттывать число
ч
им
мпульсов,, которое буудет хараактеризоввать сред
днее знач
чение скоорости:
N = fдиТ = ω /(2 π)
π Nди Т.
Так как младшем
Т
м
му разряд
ду датчикка соотвеетствует один им
мпульс,
то раззрешающ
щая спосообность ЦДС
Ц
сосставляет N : 1, а тточностьь измеренияя δ = 1/N.. Очевидно, дискрретностьь по скоррости даттчика, об
б/с, определи
ится вели
ичиной
∆n0 = 1/(Nдии Т).
Таким об
Т
бразом, точность
т
ь ЦДС теем вышее, чем больше изм
меряемая сккорость и период
д измереения. Нап
пример, при
п Nди = 600 им
мпульсов/об
б, Т = 0,1 с погреш
шность ЦДС
Ц
для n = 100 об/мин ссоставит 0,1 %,
а для n = 10 – 10 % .
У
Увеличен
ние знач
чения Т в целях уменьшеения поггрешностти при
низки
их скоросстях нежеелательн
но, так каак при этом возраастает ди
искретность по вреемени и увеличи
ивается расхожд
дение меежду ср
редним
47
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
и мгновенным значениями скорости, что может затруднить использование ЦДС в системах управления.
Другой вариант формирования цифрового кода скорости состоит в определении интервала времени между двумя импульсами путем
подсчета числа высокочастотных опорных импульсов, умещающихся
на измеряемом интервале. Данный способ, напротив, имеет максимальную разрешающую способность на самых низких скоростях, когда период следования импульсов максимален и содержит наибольшее число опорных импульсов. Однако высокая точность датчика при
низких скоростях относится также лишь к среднему за измеряемый
интервал значению скорости. При повышении скорости точность
данного ЦДС снижается.
Рассмотренные варианты ЦДС обеспечивают высокую точность
измерения скорости, и тем большую, чем продолжительней период измерения. Однако данный период измерения вносит в систему управления с ЦДС дискретность по времени, которая приводит к искажениям
в работе высокодинамичных систем. Поэтому для снижения дискретности по времени в быстродействующих системах с управлением по
интегралу сигнала рассогласования интегрирование разности скоростей выполняется подсчетом разности непосредственно числа импульсов с задающего устройства и датчика импульсов с помощью реверсивного счетчика.
Лабораторная работа 3. Испытание датчиков скорости
Цель работы – испытание датчиков скорости вращения: аналогового (тахогенератор) и цифрового (оптический энкодер). Определение характеристики тахогенератора.
Перечень аппаратуры приведен в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Перечень аппаратуры
Приборы
G1 – однофазный источник питания
А5 – блок датчиков скорости вращения
А1 – источник питания
А2 – блок счетчика импульсов
А3 – блок мультиметров
48
Тип
218.1
408
216.1
409
509.3
Параметры
~ 220 В / 16 А
0–8 000 об/мин;
24 В
0–20 В; 0,5 А
0–5 В; 1,5 А
Выходы источника
питания: +5 В; +24 В
MY60T; MY65
4. Д
Датчики ск
корости
Краткиее теорет
К
тические сведенияя. При выполнен
нии работты использууется бллок испы
ытания датчика
д
и вращения А5 (408),
скорости
рис. 4.14. В бллоке А5 установле
у
ен электр
родвигаттель постоянного тока 1
(номи
инальныее параметтры – 24 В, 8 000 об/мин),, объедин
ненный с тахогенераатором. На
Н валу двигателля закреп
плен коди
ирующий
й диск оп
птического энкодера 2 с 12-ю зубцам
ми. Зубцы перекррывают ссветовой поток
3 Так какк оптрон
ны расположены на некоттором раасстояот опттронов 3.
нии, сигналы
с
н их вы
на
ыходах 6 появляю
ются не од
дновременно и очередность их появлления заввисит отт направл
ления враащения ввала двиггателя.
Это позволяет
п
т определлять не только
т
сккорость, но и нап
правлени
ие вращенияя двигатееля.
Э
Электрич
ческая сххема соеединений
й при исп
пытании датчико
ов скорости вращени
ия показаана на ри
ис. 4.15.
Н гнезда питани
На
ия двигатееля 4 под
дается реегулируем
мое посто
оянное
напряж
жение с выхода
в
и
источника
а питанияя А1 (2166.1). Напрряжение на выходе тахогенер
т
ратора 5 измеряет
и
тся одним
м из мультиметровв блока А3.
А
О
Оптроны
ы энкодерра питаю
ются от
источн
ника +5 В блока А2 (рис.. П.2.1,
прил. 2) (соед
динены гнезда
г
«
«+5
В»
и «0 В»
В блоковв А5 и А2).
А Частоота импульсоов на выхходе оптр
трона А измеряи
ется счетчикоом импуульсов (ввход 1,
блок А2),
А рабоотающим
м в режи
име измерен
ния частооты. Так как код
дирующий диск
д
имееет 12 зубцов,
з
ч
частота
сигналла на вы
ыходах оп
птронов превып
шает число об
боротов вала дви
игателя
в секуунду в 12 раз.
О
Однофаз
зный истточник пи
итания
G1 предназна
п
ачен дляя безопасного
питан
ния блокоов А1, А22, А3.
Рис. 4..14. Блок испытани
ия датчик
ков скорости вращения
я: 1 – дви
игатель с тахогеором; 2 – кодирующ
к
щий диск; 3 – опнерато
трон; 4 – гнезд
да питания
я двигате
еля; 5 –
ратора; 6 – гнезда питания
п
выход тахогенер
ходы оптронов
на вых
49
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
~220 B
1
0
+
+
_
_
1
0
1
0
1
+5 B
0B
0B
218.1
+5 B
216.1
G1
A1
0B
A B
408
A5
409
A2
509.3
A3
Рис. 4.15. Электрическая схема соединений
при испытании датчиков скорости вращения
Счетчик импульсов А2 необходимо сконфигурировать для счета
частоты (прил. 2).
Возможны следующие конфигурации счетчика импульсов:
1) измерение частоты импульсов на выходе оптрона. Интервал
счета 1 с.
Группа GrouP_b. Проверить необходимые установки Strt = 0,
FinL = –9999999, FinH = 9999999.
Группа GrouP_C. Установить: P = F = ti = 1;
inp = 2 (суммирующий счетчик импульсов);
ind = 2 (вывод на индикатор частоты импульсов).
Проверить установки di = 0, tc = 0, Ftt = 0, init = 1;
2) измерение числа оборотов двигателя в секунду. Интервал
счета 1 с.
Группа GrouP_b. Проверить необходимые установки Strt = 0,
FinL = –9999999, FinH = 9999999.
Группа GrouP_C. Установить: F = ti = 1;
P = 12 – коэффициент деления предделителя. На вход счетчика
поступает лишь каждый 12-й импульс;
inp = 2 (суммирующий счетчик импульсов);
ind = 2 (вывод на индикатор частоты импульсов).
Проверить установки di = 0, tc = 0, Ftt = 0, init = 1;
3) измерение числа оборотов двигателя в минуту. Интервал счета 1 с. После измерения частота сигнала с выхода оптрона умножается на 5. Таким образом, полученная величина превышает число обо50
4. Датчики скорости
ротов вала двигателя за 1 с в 12×5 = 60 раз и равна числу оборотов вала за 1 мин. Значения на индикаторе меняются с шагом в 5 единиц.
Группа GrouP_b. Проверить необходимые установки Strt = 0,
FinL = –9999999, FinH = 9999999.
Группа GrouP_C. Установить: P = ti = 1;
F = 5 (измеренное значения частоты умножается на этот коэффициент перед выводом на индикатор);
inp = 2 (суммирующий счетчик импульсов);
ind = 2 (вывод на индикатор частоты импульсов).
Проверить установки di = 0, tc = 0, Ftt = 0, init = 1;
4) измерение числа оборотов двигателя в минуту. Интервал
счета 5 с. Частота сигнала с выхода оптрона умножается на 5 за счет
увеличения периода измерения частоты до 5 с. Таким образом, полученная величина превышает число оборотов вала двигателя за 1 с
в 12×5 = 60 раз и равна числу оборотов вала за 1 мин. За счет увеличения периода улучшилась точность измерения числа оборотов вала
за минуту, так как значения на индикаторе меняются с шагом в 1 единицу.
Группа GrouP_b. Проверить необходимые установки Strt = 0,
FinL = –9999999, FinH = 9999999.
Группа GrouP_C. Установить: F = P = 1;
ti = 5 (период измерения частоты увеличен до 5 с);
inp = 2 (суммирующий счетчик импульсов);
ind = 2 (вывод на индикатор частоты импульсов).
Проверить установки di = 0, tc = 0, Ftt = 0, init = 1.
Порядок проведения эксперимента:
Проверьте схему электропитания блоков А1, А2, А3 и G1.
Убедитесь, что выключатели «Сеть» блоков А1, А2 и А3 отключены.
Включить устройство защитного отключения и автоматический
выключатель в однофазном источнике питания G1.
Установите на выходе источника питания А1 «Постоянное напряжение» в диапазоне от –0,5 до +0,5 В (прил. 3). Для этого подключите блоки А1, А3 к сети. Установить переключатели источника питания А1 в положение «Постоянное напряжение», диапазон – 20 В/0,5 А.
Подключить один из мультиметров блока А3 к выходу источника питания А1 (клеммы 0 В и «Выход»). Регулировкой выходного напряжения установите его требуемую величину по показаниям мультиметра.
51
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Включите и сконфигурируйте блок счетчика импульсов А2 (409)
для измерения скорости вращения (см. выше).
Отключите блоки источника питания А1 и счетчика импульсов
А2 от сети.
Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрической
соединений (рис. 3.2).
Включите выключатель «Сеть» блоков А1 (216.1), А2 (409) и А3
(509.3). Внимание! Мультиметр MY 65 (блок 509.3) неработоспособен, если он включен при нажатой кнопке HOLD. Кнопку HOLD необходимо отжать.
Регулируя выходное напряжение А1 (216.1) в диапазоне 0 20 В,
установите несколько значений скорости вращения двигателя и занесите в таблицу показания как счетчика импульсов (число оборотов за
секунду или минуту), так и величины напряжения на выходе тахогенератора.
По результатам измерений определите крутизну выходной характеристики тахогенератора
СU = U/n,
где n – число оборотов двигателя за минуту по показаниям счетчика
импульсов; U – напряжение на выходе тахогенератора.
Паспортное значение крутизны выходной характеристики тахогенератора 1,5 мВ/(об/мин).
По завершении измерений отключите питание всех блоков.
Задания для самопроверки и контроля
1. Датчики скорости. Назначение.
2. Тахогенератор постоянного тока. Конструкция, передаточная
функция и коэффициент, электрическая схема и регулировочная характеристика. Достоинства и недостатки.
3. Тахогенераторы переменного тока (асинхронные и синхронные). Конструкция, электрическая схема.
4. Схема согласования асинхронного тахогенератора с низкоомной нагрузкой. Достоинства и недостатки.
5. Тахометрический мост. Электрическая схема и эквивалентная
схема тахомоста.
6. Цифровой датчик скорости.
52
4. Датчики скорости
7. Структурная схема цифрового датчика скорости.
8. Кодовый диск фотоэлектрического датчика импульсов, схема
датчика импульсов.
9. Диаграмма формирования выходного сигнала датчика импульсов.
10. Схема разделения во времени импульсов двух каналов в датчике скорости.
11. Сопоставьте достоинства и недостатки тахогенераторов постоянного и переменного тока.
12. Напишите выражения для передаточных коэффициентов тахогенератора постоянного и переменного тока.
53
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
5.
ДАТЧИКИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ
Датчики угла. Под термином «датчики угла» понимаются устройства, преобразующие угловую координату в электрическое напряжение. Это напряжение используется в системах АЭП как сигнал обратной связи по углу или сигнал управления в задающих устройствах.
Датчики угла находят применение в следящих системах для измерения
угла поворота исполнительного вала. Задание на движение системы
может выполняться также с помощью датчика угла, угловой координатой которого является угол поворота командной (задающей) оси.
Для датчиков угла и рассогласования широкое применение нашли сельсины и вращающиеся трансформаторы.
Сельсин – небольшая электрическая машина переменного тока,
имеющая две обмотки (рис. 5.1): однофазную (обмотку возбуждения)
и трехфазную (обмотку синхронизации). По конструктивному признаку сельсины разделяются на два основных типа: контактные и бесконтактные. Основное исполнение первого типа: обмотка возбуждения
расположена на роторе, обмотка синхронизации – на статоре. Этим
уменьшается до двух число контактных колец и исключаются контакты на синхронизирующей связи. Идея бесконтактного сельсина реализуется двумя способами. При первом способе благодаря специальной
конструкции магнитопровода ротора неподвижная кольцевая обмотка
возбуждения создает в роторе поток, поворачивающийся вместе с ним.
При втором способе обмотка ротора получает питание от вращающейся совместно с ротором вторичной обмотки кольцевого трансформатора возбуждения с неподвижной первичной обмоткой.
Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ).
В системах, в которых требуется более точное измерение угловой координаты, вместо сельсинов применяются СКВТ. По своему устройству
СКВТ – двухфазная микромашина переменного тока. Неявнополюсные
статор и ротор имеют по две взаимно перпендикулярные обмотки: возбуждения и квадратурную на статоре, синусную и косинусную на роторе (рис. 5.2, а), векторная диаграмма дана на рис. 5.2, б.
Так, СКВТ превосходят по классам точности сельсины. В пределах от нулевого до третьего классов точности допустимые погрешности СКВТ составляют 4 – 22''. Наиболее точными являются малогабаритные СКВТ, например серии ВТМ нулевого класса, имеющие погрешность, не превышающую 1,5''.
54
5. Дат
тчики углового поло
ожения
а
а
б
Рис. 5.1. Датчик
к угла на основе
о
сел
льсина:
коорди
инаты; б электриче
еская схем
ма сельсин
на
а
б
матор:
Рис. 5.2.
5
Синусн
но-косину
усный вращающий трансфор
т
а схема; б векторна
ая диаграм
мма
55
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Емкостные датчики. Емкостные датчики используются тогда,
когда требуется малый момент преобразования сигнала, большое передаточное отношение электрической редукции при малых габаритах,
а также в средах, где невозможно применение измерительных элементов с обмотками. Они отличаются простой конструкцией и возможностью бесконтактного съема сигнала.
Существуют конструкции емкостных преобразователей, в которых происходит изменение емкости между параллельными пластинами при изменении либо зазора между ними, либо площади перекрытия пластин при угловом или линейном перемещениях:
С = 0,885ε S / d = 0,885 ε 0,885ε аl / d,
где ε – диэлектрическая проницаемость; l – длина пластины, см; a –
ширина пластины, см; d – зазор между пластинами.
Емкостные датчики используются в различных электрических
цепях или контурах генераторов, когда изменение емкости в функции
угла поворота приводит к изменению частоты тока или напряжения.
В следящих системах применяются дифференциальные датчики, которые включением в мостовую схему преобразуют угол поворота
в напряжение (рис. 5.3).
Цифровой датчик угла. Для измерения углов в больших диапазонах и с высокой точностью используются дискретные датчики. Их
функциональной выходной величиной является число, представленное в двоичной системе счисления с помощью электрических дискретных сигналов. Необходимая точность достигается соответствующим числом разрядов датчика.
Простейший цифровой датчик угла – контактный с кодовым барабаном или кодовым диском (рис. 5.4, а).
Диск жестко соединен с валом, угол поворота которого подлежит преобразованию в цифровой код. Кодовый рисунок диска состоит
из концентрических колец (дорожек), каждое из которых имеет чередующиеся электрически проводящие и непроводящие участки. Кольцо с наименьшим радиусом, имеющее два участка, определяет старший разряд выходного числа, а кольцо с наибольшим радиусом –
младший разряд. В каждом последующем от центра кольце число
участков удваивается, что соответствует в двоичном коде переходу
от одного разряда к другому. К токопроводящим участкам, заштрихованным на рис. 5.4, а, подводится напряжение через внешнее
кольцо.
56
5. Дат
тчики углового поло
ожения
Рис.. 5.3. Дифференциа
альный дат
тчик
Ри
ис. 5.4. Ци
ифровой датчик
д
угл
ла:
а–т
трёхразряд
дный кодо
овый диск
к; б – схем
ма считыва
ания
Считываание осуществляеется с помощью
С
п
ю токосъ
ъемных щеток.
щ
Полож
жению щетки
щ
наа провод
дящем уч
частке сооответсттвует циф
фра 1,
а на непровод
н
дящем – 0. На грранице смены уч
частков и
из-за кон
нечной
ширин
ны щетокк и их нееточной установкки по одн
ной прям
мой появл
ляется
неодн
нозначноссть считтывания, приводяящая к ложным
л
ззначенияям выходноой величи
ины датч
чика. Дляя устранеения этогго для кааждого раазряда
примееняют, крроме млладшего, две щеттки, симм
метричноо раздви
инутые
относительно прямой считываания. Выб
бор щеткки для сччитывани
ия выческая сххема (рис. 5.2, б) в зависим
мости от цифры предып
полняяет логич
дущегго, т. е. более млаадшего, разряда.
р
57
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Любому углу поворота кодового диска в пределах 360 ° однозначно соответствует определенное сочетание единиц и нулей в выходных каналах датчика, т. е. определенный числовой эквивалент угла. При повороте трехдорожечного кодового диска на 360 ° выходная
величина изменяется от 000 до 111, что в десятичной системе счисления означает изменение числа от 0 до 7.
Контактная система и погрешности измерительных редукторов
лимитируют точностные показатели датчика. Практически реализуемое число разрядов в цифровом датчике угла данного типа не превосходит 9–10, что соответствует интервалу дискретности 21′–42′. Поэтому в высокоточных системах с допустимыми погрешностями менее 1′ контактный датчик применяется для грубого отсчета угла.
Цифровой датчик угла с индуктосином. Точный отсчет выполняется с помощью цифрового датчика угла, в котором основным
преобразовательным элементом служит многополюсный СКВТ – индуктосин.
На рис. 5.5 приведена схема цифрового датчика угла с индуктосином, работающим в фазовом режиме. Ротор индуктосина, имеющий
двухфазную обмотку, жестко, без редуктора, соединен с исполнительным валом. Неподвижный статор имеет однофазную обмотку. Разрешающая способность датчика угла при одном и том же числе разрядов
повышается с увеличением числа пар полюсов р индуктосина.
Рис. 5.5. Схема цифрового датчика угла с индуктосином
Задающий генератор (ЗГ) вырабатывает импульсы неизменной
частоты, которые поступают на триггерный n-разрядный счетчик –
делитель частоты (ДЧ). Каждый триггер делит входную частоту пополам. Выходной сигнал последнего триггера Тn, имеющий форму
прямоугольных колебаний с частотой fп = fз.г /2n, преобразуется фор58
5. Датчики углового положения
мирователем F1 в синусоидальную форму. Выходное синусоидальное
напряжение индуктосина с фазой, пропорциональной углу θ, подается
на формирователь F2 (блокинг-генератор), выдающий импульсы
в момент перехода напряжения через нуль от отрицательных значений к положительным. С помощью триггера Т, элемента И и элемента
задержки 3 считывающий импульс синхронизируется с импульсами
ЗГ и задерживается на полпериода ЗГ. В результате этого при вращении ротора индуктосина считывающий импульс, подаваемый на вторые входы элементов совпадений (И1 – Иn), изменяет фазу скачкообразно на ∆θ0, располагаясь в средних положениях между импульсами
ЗГ. Этим достигается исключение неоднозначности считывания, так
как считывающий импульс никогда не попадает на фронты переключения триггеров.
Лабораторная работа 4. Испытание датчика углового положения
Цель работы – испытание датчика углового положения; определение характеристики.
Перечень аппаратуры приведен в табл. 5.1
Таблица 5.1
Перечень аппаратуры
Приборы
G1 – однофазный источник питания
А4 – блок испытания датчика углового
положения
А2 – блок счетчика импульсов
Тип
218.1
396
409
Параметры
~ 220 В / 16 А
0 360 °,
24 имп/оборот
Выходы источника
питания: +5 В; +24 В
Краткие теоретические сведения. При выполнении работы используется блок испытания датчика углового положения А4 (396)
(рис. 5.6). В блоке А4 установлен механический инкрементный энкодер
(ECW1J-B24-BC0024, описание ECWlJ.pdf), имеющий 24 фиксированных положения на оборот, т. е. измерение угла производится с шагом
360/24 = 15°. Если вал энкодера находится в одном из фиксированных
положений, то оба выходных контакта разомкнуты. При повороте вала
энкодера на один шаг контакты А и В последовательно замыкаются:
при повороте по часовой стрелке контакт А замыкается раньше В, при
повороте против часовой стрелки В замыкается раньше А. Импульсы
напряжения с замкнутых контактов подсчитываются счетчиком, содержимое которого соответствует полному углу поворота вала энкодера.
59
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Поскольку вал энкодера может вращаться в обоих направлениях, для
определения угла необходимо использовать реверсивный счетчик,
увеличивающий или уменьшающий свое содержимое в зависимости
от направления вращения вала. В блоке испытания датчика углового
положения А4 (396) на оси испытываемого энкодера закреплен указатель для измерения угла поворота вала энкодера по шкале угломера.
На гнезда лицевой панели блока выведены контакты энкодера А, В
и их общая точка и выводы логической схемы устранения дребезга
контактов, разделения импульсов между двумя выходами в зависимости от направления вращения вала.
В блоке А4 контакты энкодера А и В соединяем с одноименными
входами схемы устранения дребезга контактов и определения направления вращения. Общую точку контактов энкодера подключаем
к гнезду «0 В». Выходы схемы устранения дребезга контактов и определения направления вращения блока А4 подключаем к входам счетчика 1 (суммирующий вход) и 2 (вычитающий вход) блока А2 гнезда 8
и 9. Гнезда питания блока А4 («+5 В» и 0 В) соединить с одноименными
гнездами источника напряжения +5 В блока счетчика импульсов А2
(гнезда 14 и 15 на рис. П.3.1, прил. 3).
Входы 3 и 10 счетчика импульсов А2
(рис. П.2.1, прил. 2) соединить с кнопкой «Сброс» на лицевой панели этого
блока. Кнопка используется для установки счетчика в состояние «0».
Электрическая схема соединений при испытании энкодера показана на рис. 5.7.
Счетчик импульсов А2 необходимо сконфигурировать как реверсивный с раздельными входами увеличения и уменьшения содержимого.
Рис. 5.6. Блок испытания датчика углового
положения: 1 – ручка поворота вала энкодера; 2 – указатель; 3 – шкала угломера;
4 – выводы энкодера; 5 –схема устранения
дребезга контактов и определения направления вращения
60
5. Датчики углового положения
Рис. 5.7. Электрическая схема соединений
при испытании энкодера
Параметры конфигурации счетчика импульсов:
Группа GrouP_b. Проверить (если необходимо – восстановить)
установки Strt = 0, FinL = –9999999, FinH = 9999999.
Группа GrouP_C. Установить: P = ti = l;
F = 15 – показания счетчика умножаются на 15 для получения
угла поворота вала энкодера в градусах;
inp = 3 (реверсивный счетчик импульсов с раздельными входами);
ind = l(вывод на индикатор содержимого счетчика).
Проверить значения установок: di = 0, tc = 0, Ftt = 0, init = l.
Однофазный источник питания G1 предназначен для безопасного питания блока счетчика импульсов А2 (409).
Порядок проведения эксперимента:
Убедитесь, что переключатели «Сеть» блоков, используемых
в эксперименте, выключены.
Соедините аппаратуру в соответствии со схемой на рис. 5.7.
Включите устройство защитного отключения и автоматический
выключатель в однофазном источнике питания G1.
Включите выключатель «Сеть» блока счетчика импульсов А2.
Указатель 2 блока А4 (рис. 5.6) установите на 0 шкалы угломера 3 (рис. 5.6) и кнопкой «Сброс» блока А2 обнулите показания
счетчика.
При вращении вала энкодера убедитесь, что показания счетчика
соответствуют отсчетам по шкале угломера.
61
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Задания для самопроверки и контроля
1. Датчики угла и рассогласования. Назначение.
2. Датчики угла на основе сельсинов. Конструкция, исполнение,
входные и выходные координаты, электрическая схема сельсина.
3. Режимы работы, фазные и линейные ЭДС, характеристика
управления, передаточные коэффициенты.
4. Датчики угла на основе синусно-косинусных вращающихся
трансформаторов.
5. Конструкция, режимы работы, характеристики управления,
электрическая схема.
6. Вторичное, первичное и полное симметрирование.
7. Однофазная схема включения синусно-косинусного вращающегося трансформатора для режима фазовращателя.
8. Датчики рассогласования. Назначение, схемы включения
и передаточные коэффициенты.
9. Цифровой датчик угла. Конструкция схема считывания, диаграмма выходных сигналов и характеристика управления цифрового
датчика угла с трехразрядным кодовым диском.
10. Цифровой датчик угла с индуктосином и диаграмма его работы.
11. Сформируйте определение режимов работы сельсина
и СКВТ.
12. В каком из двух режимов сельсина (СКВТ) – амплитудном
или фазовращательном – характеристика управления обладает
бóльшими линейностью и диапазоном измеряемого угла.
13. Напишите выражение погрешности для цифрового датчика
угла.
14. Что такое неоднозначность считывания и как она устанавливается в цифровых датчиках угла с кодовыми дисками и датчика угла?
62
6. Датчики линейного положения
6.
ДАТЧИКИ ЛИНЕЙНОГО ПОЛОЖЕНИЯ
Датчик положения – это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют
колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Следует сразу отметить, что все
датчики перемещения можно разделить на две основных категории –
датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения
(энкодеры).
По принципу действия датчики перемещения могут быть:
• емкостными;
• оптическими;
• индуктивными;
• вихретоковыми;
• ультразвуковыми;
• магниторезистивными;
• потенциометрическими;
• магнитострикционными;
• на основе эффекта Холла.
Резистивные измерительные преобразователи. Измерительные преобразователи, выполненные в виде реостата, подвижный контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой
величины, называются реостатными измерительными преобразователями. Чаще всего реостатные ИП включаются в измерительную цепь
по схеме потенциометра, поэтому в ряде источников используется
термин «потенциометрические преобразователи».
Выходной величиной ИП является электрическое сопротивление, функционально связанное с положением подвижного контакта.
Реостатные преобразователи служат для преобразования угловых или
линейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока или напряжения. Так как в перемещение могут быть преобразованы многие неэлектрические величины (давление, расход, уровень и др.), то реостатные преобразователи очень часто используют
также в качестве промежуточных преобразователей неэлектрических
величин в электрические.
63
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
В зависимости от материала чувствительного элемента реостатные преобразователи разделяются на проволочные и непроволочные
(фотоэлектрические, жидкостные и др.).
В устройствах автоматики широко применяют проволочные
реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью
и стабильностью функции преобразования, имеют малое переходное
сопротивление и небольшой температурный коэффициент сопротивления (ТКС), низкий уровень собственных шумов. К их недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое
сопротивление (до десятков килоом), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки.
В зависимости от конструктивного исполнения реостатные преобразователи делятся на преобразователи с поступательным и вращательным перемещением подвижного контакта. Последние, кроме того, делятся на одно- и многооборотные.
Конструктивно реостатные преобразователи состоят из каркаса 1,
обмотки из изолированного провода 2 и токосъемного контакта 3 в виде щетки или движка, скользящего по виткам провода, очищенного от
изоляции (рис. 6.1, а, б).
а
б
в
г
Рис. 6.1. Реостатный преобразователь
64
6. Датчики линейного положения
Каркас выполняется из изоляционного материала и может иметь
форму стержня, кольца, изогнутой пластины. Материал каркаса должен сохранять свои размеры в широком температурном диапазоне,
в условиях повышенной влажности и химической загрязненности атмосферы. Кроме того, каркасы должны обладать высокой теплопроводностью, что позволяет увеличивать рассеиваемую в преобразователе мощность. В качестве изоляционного материала используют гетинакс, текстолит, керамику или металл, покрытый непроводящим
слоем оксида.
Обмотку выполняют изолированным проводом виток к витку
или с заданным шагом. Материал обмоток должен отвечать следующим требованиям: высокие удельное электрическое сопротивление
и коррозионная стойкость, стабильность характеристик во времени,
малый ТКС, большая прочность на разрыв и истирание. В качестве
обмоточного провода применяют константан, манганин, при работе
железо и никель-хромовые
в условиях повышенных температур
сплавы. В особо ответственных или специфических условиях работы
применяют сплавы из благородных металлов: платина с иридием,
платина с палладием и др. Например, добавка иридия к платине увеличивает ее твердость, износоустойчивость, химическую стойкость,
антикоррозийность. Диаметр провода (в миллиметрах) зависит от
точности и сопротивления преобразователя: 0,01–01 для датчиков высокого класса; 0,1–0,4 – низкого класса. Обмоточный провод покрывают слоем эмали или оксидов.
Подвижный контакт (щетка, движок) выполняют в виде двухтрех параллельных проволочек диаметром 0,1–0,2 мм, несколько отличающихся по длине (для прецизионных реостатных преобразователей), или из специально профилированной пластины с разрезами.
Ширина контактной поверхности щетки должна быть равна двумтрем диаметрам проволоки чувствительного элемента. Изготавливают
щетку либо из чистых металлов (платина, серебро), либо из сплавов
(платина с иридием или бериллием, фосфористая бронза и др.). Материал щетки должен быть несколько мягче материала проволоки, чтобы она не перетиралась.
Допустимая плотность тока в обмотке зависит от материала
провода и условий его охлаждения. При использовании манганина
или константана рабочая температура преобразователя может достигать 40–50 °С при плотности тока в обмотке порядка 10 А/мм2 для
каркаса из пластиковых материалов или порядка 25–30 А/мм2 для
65
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
металлического каркаса. Использование обмоточного провода из благородных материалов допускает рабочую температуру 70–80 °С
и плотность тока порядка 40–50 А/мм2 при металлическом каркасе.
К зажимам обмотки реостата подключается напряжение U постоянного или переменного тока неизменного значения. При перемещении движка выходное напряжение Uвых меняется пропорционально
входной величине Х. Таким образом осуществляется преобразование
перемещения в напряжение U (рис. 6.1, в).
Учитывая, что по конструктивным особенностям R = l, a r = Х,
где R – полное сопротивление преобразователя; l – длина намотки
обмотки; r – сопротивление части обмотки, приходящейся на перемещение X движка реостата, функция преобразования опишется выражением
Uвых= (U/R) r = (U / l) X = kX,
где k – коэффициент преобразования.
Для преобразователя углового перемещения в режиме холостого
хода
Uвых = kφ,
где φ – угол поворота движка от нулевого положения (рис. 6.1,б).
Анализ полученных выражений для функции преобразования
показывает, что статическая характеристика линейных потенциометров при отсутствии нагрузки представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом а = arctg k (рис. 6.1, г).
Как следует из приведенной статической характеристики, рассмотренные преобразователи относятся к однотактным элементам,
т. е. они не реагируют на знак входного сигнала. В ряде случаев необходимы преобразователи, учитывающие знак входного сигнала, –
двухтактные измерительные. Их можно построить на основе однотактных потенциометрических, если снимать выходной сигнал
с движка и средней точки потенциометра или с диагонали мостовой
схемы, образованной двумя потенциометрическими датчиками со
средней точкой. Две из возможных схем включения потенциометрических датчиков по двухтактной схеме приведены на рис. 6.2, а, б. Их
статические характеристики (рис. 6.2, в) отличаются крутизной. Это
объясняется тем, что при включении преобразователей по мостовой
схеме (рис. 6.2, б) изменение входного сигнала отрабатывается двумя
движками, смещающимися в разные стороны от средней точки. Это
приводит к появлению удвоенного выходного напряжения (прямая II)
66
6. Датчики линейного положения
по сравнению со схемой, представленной на рис. 6.2, а (прямая I,
рис. 6.2, в).
Реальные характеристики реостатных преобразователей значительно отличаются от рассмотренных идеальных из-за различных погрешностей:
• дискретности выходного сопротивления;
• отклонения функции преобразования от расчетной, вызванного непостоянством диаметра намоточного провода и его удельного
электрического сопротивления;
• изменения температуры преобразователя;
• влияния сопротивления нагрузки и других факторов.
При перемещении движка сопротивление включенной части потенциометра изменяется дискретно с шагом, равным сопротивлению
одного витка:
∆R = R / w,
где R – сопротивление реостата; w – число витков обмотки.
а
б
в
Рис. 6.2. Двухтактная схема включения
потенциметрических датчиков
67
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Соответственно изменяется и выходное напряжение. Это явление определяет два фактора: порог чувствительности и зона нечувствительности. Если
их рассматривать относительно входного перемещения, то численно они будут
равны диаметру провода обмотки при
обмотке типа «виток к витку» или шагу
намотки τш при расположении витков
с зазором.
Рис. 6.3. Статическая
Статическая характеристика с учехарактеристика с учетом
дискретности изменения
том дискретности изменения сопротивсопротивления
ления имеет ступенчатый вид (рис. 6.3).
Если за идеальную характеристику принять прямую, проходящую через середину ступенек, то абсолютная
погрешность дискретности или зона нечувствительности в зависимости от формы представления характеристики (в функции сопротивления, перемещения или напряжения)
∆R = R / 2w; ∆Х = l / 2w; ∆U = U / 2w.
Соответственно выражение для расчета относительных погрешностей примет вид
δRδХδU = 1/2 w.
Для реальных конструкций линейных реостатных преобразователей число витков составляет около 2 000 (минимально около 200),
а погрешность дискретности соответственно равна 0,02 0,03 %. Суммарная погрешность, вызванная непостоянством электрических параметров преобразователя, достигает 0,03–0,1 %. Температурная погрешность, определяемая прежде всего ТКС намоточного провода, не
превышает обычно 0,1 % на 10 °С.
Наибольшую погрешность может создать неправильно выбранный режим работы преобразователя – малое сопротивление нагрузки.
Реостатный преобразователь с подключенной нагрузкой Rн
(рис. 6.4, а) можно представить эквивалентной схемой (рис. 6.4, б)
ненагруженного преобразователя. Для нее справедливы следующие
соотношения:
Uвых = Rн r / (Rн + r) I; I = U /[(Rн – r) + Rн r / (Rн + r)].
68
6. Датчики линейного положения
а
б
в
г
Рис. 6.4. Реостатный преобразователь с подключенной нагрузкой
Подставляя второе выражение в первое, получаем
Uвых = U Rн r / (Rн + r) [(Rн – r) + Rн r / (Rн + r)] =
= U Rн r / (R Rн + R r – r2).
Как видно из полученного выражения, статическая характеристика Uвых = f (r) зависит от сопротивления нагрузки и определяет методическую погрешность. Существенное значение имеет соотношение Rн и R. Можно рассмотреть два случая: Rн >> R; Rн соизмеримо
с R реостата.
Для первого случая выражение можно представить в виде
Uвых= Ur / [R + r (R / Rн) – r2/Rн]
Поскольку Rн >> R, величинами (R / Rн) r – r2 / Rн можно пренебречь по сравнению с R. Тогда
Uвых= (U/ R) r = Uвых.0.
Аналогичный результат можно получить, приняв Rн → ∞. Тогда
мы приходим к режиму холостого хода, т. е. к отсутствию нагрузки на
выходе преобразователя.
69
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Для Rн ≡ R абсолютная погрешность от несовпадения идеальной
и реальной статической характеристик определяется в соответствии
с выражением
∆U = Uвых.0 – Uвых = Ur / R – Ur Rн / (Rн R + R r – r2) =
= Ur2 (R – r)/(R2 Rн).
Последнее выражение получено из условий
R2r ≡ Rr2 и (R2r – Rr2) ≡ 0.
Относительная погрешность определится как
δ = ∆U/U = r2(R – r) / (R2Rн).
Чтобы определить максимальную погрешность, приравняем
производную dδ/dr к нулю:
dδ/dr = (2rR – 3r2) / (R2Rн) = 0.
Последнее справедливо при условии 2rR – 3r2 = 0, откуда получаем
r = (2/3)R.
Следовательно, преобразователь имеет наибольшую погрешность при отклонении движка на 2/3 общей длины l. Формула для
расчета максимальной погрешности
δmax = r2(R – r) / (R2Rн) = 4 / [27(Rн / R)] = 4 / 27αн,
где αн = Rн / R коэффициент нагрузки.
Как следует из данного уравнения и из приведенных статических характеристик преобразователя при различных коэффициентах
нагрузки αн (рис. 6.4, в, г), с увеличением сопротивления нагрузки погрешность уменьшается. В общем случае необходимо, чтобы коэффициент нагрузки был как можно больше. Однако на практике его выбирают в пределах 10–100. Необходимо отметить также, что выходное напряжение преобразователя при подключении нагрузки падает
из-за шунтирования сопротивлением Rн части r сопротивления потенциометра R.
Передаточная функция линейного потенциометрического преобразователя при чисто активной нагрузке описывается выражением
W(p) = k,
70
6. Датчики линейного положения
которое соответствует передаточной характеристике без инерционного усилительного звена.
При смешанной индуктивно-активной нагрузке передаточная
функция датчика описывается выражением
W(p) = k / (Tp + 1),
где T = L / (Rн + Rвн); k = k l /(Rвн + Rн); Rвн – внутреннее сопротивление потенциометра.
Наряду с линейными преобразователями в системах автоматики
и управления широко применяют функциональные преобразователи,
обеспечивающие получение нелинейных зависимостей вида
Uвых = {kx2; k sin х; k x }.
Для того чтобы получить функциональные реостатные преобразователи, можно использовать следующие способы: изменить диаметр провода вдоль намотки и шаг намотки; применить каркас определенной конфигурации; шунтировать участки линейного потенциометра сопротивлениями различных значений. Первые два способа
сопряжены с технологическими трудностями и на практике не применяются. Третий и четвертый более подробно рассмотрены в ряде других работ.
К достоинствам проволочных реостатных преобразователей можно отнести: простоту конструкции; малые размеры и массу; возможность получения необходимых функциональных зависимостей и высокоточных линейных статических характеристик относительно простыми средствами; стабильность характеристик относительно простыми
средствами; малое переходное сопротивление; возможность работы на
переменном и постоянном токе; малый ТКС.
Недостатками этих элементов следует считать: наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибания движка; сравнительно небольшой коэффициент преобразования и высокий
порог чувствительности; наличие шума; подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов; ограниченную скорость
линейного перемещения или вращения (до 100–200 об/мин) токосъемника вследствие его вибраций при переходе с витка на виток
и повышения при этом уровня динамического шума; ограниченную
частоту переменного тока (до 1000 Гц); низкую износоустойчивость.
71
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Тензорезисторы. В основе работы тензорезисторов лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления
проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.
Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент
тензочувствительности kт, определяемый как отношение изменения
сопротивления к изменению длины проводника:
kт = dR /dl = E (dR /σ),
где dR = ∆R/R, dl = ∆l/l, ∆R – приращение сопротивления при изменении длины l на ∆l; Е – модуль упругости материала; σ – механическое
напряжение.
Коэффициент тензочувствительности связан с деформацией материала и его удельным сопротивлением выражением
kт = 1 + 2μ + d ρ/(dl),
где μ – коэффициент Пуассона; dρ = ∆ρ/ρ – относительное приращение удельного сопротивления ρ материала при деформации в пределах десятков миллиампер. Максимально допустимые относительные
деформации не превышают 0,3 %.
Поскольку изменение сопротивления тензорезисторов вызвано
деформацией, весьма мало и колеблется в небольших пределах, то для
измерений применяют высокочувствительные потенциометрические
и мостовые схемы.
Характеристика проволочных тензорезисторов. Коэффициент
тензочувствительности металлов, наиболее часто применяемых для
тензорезисторов, близок к двум: для константана – 2, для нихрома –
2,2, для хромеля 2,5. Для полупроводниковых материалов коэффициент тензочувствительности намного больше, чем для металлов. Например, для германия kт ≈ 100. Однако полупроводниковые материалы характеризуются малой механической прочностью и стабильностью по сравнению с металлами.
Тензорезисторы используют для измерения давления жидкости
и газа, упругих деформаций материалов (давлений, изгибов, скручивания и т. д).
В качестве тензорезистивного материала можно использовать:
металлы с малым ТКС (манганин, константан, нихром, никель,
ртуть); высокотемпературные сплавы (платино-серебряные, платиновольфрамовые); полупроводниковые материалы (германий, кремний).
72
6. Датчики линейного положения
Наиболее распространены тензорезисторы, выполненные из металла.
Они разделяются на проволочные и фольговые. Проволочные тензорезисторы выполняют из проволоки диаметром 0,002 0,05 мм, которую укладывают частыми петлями на тонкую бумагу или лаковую
пленку и приклеивают к ней (рис. 6.5, а). К концам проволоки припаивают или приваривают медные выводы. Сверху преобразователь
покрывают лаком. Материал для пленки выбирают в зависимости от
условий эксплуатации. Резисторы на плёнке из клея БФ-2 работают
в диапазоне от –40 до +70 °С, на бакелитовом лаке – до 200 °С. Для
более высоких температур используют специальные высокотемпературные клеи и цементы.
Тензорезистор наклеивают на поверхность испытуемой детали
в направлении измеряемой деформации, т. е. чтобы возможные деформации детали происходили вдоль петель резистора. Это позволяет
точнее измерять линейные деформации.
Наиболее часто используют преобразователи, обладающие сопротивлением 30–500 Ом. Их номинальный рабочий ток, определяемый условиями отвода выделяемых в них потерь энергии, находиться
в пределах упругой деформации, близкой к линейной, и определяется
выражением
∆R = Rkт δI = (рkт / S)∆I,
где S – площадь сечения проволоки.
Отклонения от линейности характеристики не превышают 0,1 %.
Чувствительность проволочного тензорезистора
ks = d(∆R) / d(∆I )= рkт/S.
Ось деформации
а
б
Рис. 6.5. Терморезистор
73
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Иногда используют тензорезисторы, не имеющие подложки, со
свободным подвесом проволоки. Их выполняют в виде одной или нескольких проволок, концами закреплённых между подвижной и неподвижной деталями. Выходной величиной таких преобразователей
является весьма малое перемещение подвижной детали. Основное их
достоинство состоит в большой стабильности показаний при длительных измерениях.
Фольговые преобразователи более совершенны, чем проволочные тензорезисторы. Они имеют решётку из тонких полосок фольги
прямоугольного сечения толщиной 4–12 мкм, полученную травлением и нанесенную на лаковую подложку. Благодаря большей площади
контакта полосок фольгового тензорезистора с объектом измерения
его теплоотдача значительно выше, чем у проволочного, что позволяет увеличить ток, протекающий через резистор, до 0,5 А и тем самым
повысить чувствительность тензопреобразователя (рис. 6.5, б). Другое
достоинство фольговых тензорезисторов заключается в возможности
изготовления решеток сложного профиля, которые наиболее полно
удовлетворяют условиям измерений.
Полупроводниковые тензорезисторы имеют ряд существенных
преимуществ: их чувствительность в 50 60 раз превышает чувствительность проволочных, размеры существенно меньше, уровень выходного сигнала в ряде случаев достаточен для использования без
сложных и дорогих усилителей. Основным их отличием от проволочных является большое (до 50 %) изменение сопротивления тензопреобразователя при деформации.
К недостаткам полупроводниковых тензорезисторов следует отнести малые значения механической прочности и гибкости. Большую
тензочувствительность этих тензорезисторов реализовать оказывается
довольно сложно из-за нелинейности характеристики, высокой чувствительности к воздействию внешних условий и существенного разброса параметров от образца к образцу.
Погрешности тензорезисторов могут быть вызваны изменениями температуры, недостаточным сопротивлением изоляции и влагостойкостью, низким качеством наклеивания, наличием поперечной
деформации (для наклеиваемых преобразователей). Особенно большие погрешности могут внести изменения температуры не только
из-за ухода параметров материала, но и появления добавочных механических напряжений, вызванных разностью температурных расширений материалов тензорезисторов и детали. Но применив дополни74
6. Датчики линейного положения
тельные меры (установка нуля перед каждым измерением, калибрование и т. д.), погрешность измерений можно довести до 0,2–0,5 %
при статических и до 1–1,5 % при динамических измерениях.
В динамическом отношении тензодатчики представляют собой
усилительные звенья с коэффициентом преобразования (для проволочного тензорезистора)
k = kт n Rn / l,
где Rn – сопротивление тензочувствительности элемента, Ом; l – длина тензочувствительного элемента, м; п – число рядов проволоки
в продольном направлении.
К достоинствам тензорезисторов можно отнести незначительную массу, малые размеры, простоту конструкции, возможность измерения статических и динамических процессов, к недостаткам – относительно невысокую чувствительность, возможность только разового использования тензорезистора (так как он разрушается при
отсоединении от детали), необходимость мостовой измерительной
схемы и компенсации температурных воздействий.
Угольные преобразователи. Принцип действия угольных преобразователей основан на изменении контактного сопротивления между
частицами угля и давления. Их применяют для измерения усилий,
давлений, малых перемещений. Различают преобразователи из угольных столбиков и тензолитовые.
Угольный преобразователь представляет собой набор из 10–15
отшлифованных шайб, изготовленных из электродных углей с сопротивлением 30–100 Ом·мм2/м. Диаметр шайб составляет 5–10 мм, толщина 1–2 мм.
Сопротивление преобразователя состоит из собственного сопротивления угольных шайб Ri и переходного контактного сопротивления, которое зависит от приложенного давления. В первом приближении сопротивление столбика
R = l / (k P) + Ri,
где k – постоянный коэффициент, м2/Н·Ом; Р – давление, Па.
Характеристика угольного преобразователя R = f(p) нелинейна,
он имеет переменную чувствительность. Поэтому обычно выбирают
рабочий участок, в пределах которого характеристика практически
линейна и чувствительность меняется незначительно. Характеристика
75
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
угольного преобразователя обладает также гистерезисом. Погрешность за счет гистерезиса составляет 1 2 %.
К недостаткам подобных преобразователей следует также отнести нестабильность их работы, зависимость характеристик от температуры и влажности окружающей среды, качества подготовки поверхностей.
Тензолитовые преобразователи выполняют в виде полосок,
состоящих из смеси графита, сажи, бакелитового лака и других компонентов. Эти полоски наклеивают на испытуемую деталь.
Тензолитовые преобразователи имеют малые размеры и массу.
Их применяют для измерения быстроменяющихся и ударных напряжений в движущихся деталях небольшого размера. При этом преобразователи работают как на растяжение, так и сжатие. Коэффициент
чувствительности тензолнтовых преобразователей больше, чем у тензорезисторов, и составляет kч = 15 20.
Основными недостатками тензолитового преобразователя являются возможность использования его только с деталью, к которой он
приклеен, так как при отрыве от детали он разрушается, а также сравнительно невысокие стабильность и точность.
Резистивные преобразователи, несмотря на присущие им недостатки (наличие скользящего контакта, существенное влияние
температуры на характеристики, недостаточная механическая прочность и т. п.), все же до настоящего времени находят широкое применение.
Емкостные преобразователи. Принцип действия емкостных
измерительных преобразователей основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины. Емкость конденсатора определяется соотношением
С = ε ε0 S / δ,
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; S – площадь пластины;
δ – толщина диэлектрика или расстояние между пластинами.
Как видно, на емкость конденсатора можно влиять изменением
площади перекрытия пластин (рис. 6.6, а), расстояния δ между ними
(рис. 6.6, б), диэлектрической проницаемости вещества, находящегося
в зазоре между обкладками конденсатора (рис. 6.6, в). Выбор того или
иного изменяемого параметра зависит от характера измеряемой величины.
76
6. Датчики линейного положения
а
б
в
Рис. 6.6. Способы изменения емкости конденсатора: а – изменением
площади перекрытия пластин; б – изменение расстояния между
пластинами; в – изменение диэлектрической проницаемости
Емкостные преобразователи используют для измерения
угловых и линейных перемещений, линейных размеров, уровня, усилий, влажности, концентрации и др. Конструктивно они
могут быть выполнены с плоскопараллельными, цилиндрическими, штыревыми электродами,
с наличием или отсутствием диРис. 6.7. Емкостной преобразователь
электрика между пластинами.
перемещения
Емкостной плоскопараллельный измерительный преобразователь с изменяемой площадью
перекрытия описывается уравнением преобразования
С = ε ε0 а х / δ,
где а – ширина пластин конденсатора; х – длина перекрытия электродов (рис. 6.6, а).
Емкостные преобразователи перемещения с переменной площадью перекрытия используют и для измерения угловых величин
(рис. 6.7).
В этом случае емкость измерительного преобразователя
(
)
С = ε ε0 r22 − r12 ( ϕ − ϕ0 ) 2δ ,
77
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
а чувствительность
(
КS= ε ε0 R12 − R22
)
2δ ,
где R1 и R2 – наружный и внутренний радиусы пластин; φ и φ0 – соответственно текущий (измеряемый) и начальный углы перекрытия
пластин.
Из данных выражений видно, что все входящие в них величины,
кроме измеряемых х или φ, постоянны, т. е. статическая характеристика такого емкостного датчика линейна (рис. 6.6, а). Преобразователи такого типа применяют для измерения сравнительно больших
(до десятков сантиметров) перемещений.
Емкостной плоскопараллельный преобразователь перемещения
с изменяющимся воздушным зазором (рис. 6.6, б) имеет нелинейную
характеристику. Изменение его емкости описывается уравнением
Сх =
ε ε0 S / (δ0 – х),
а коэффициент преобразования
К = ε ε0 S / (δ0 – х)2,
где δ0 начальный зазор; х перемещение пластины.
В связи с нелинейностью статической характеристики такие
датчики применяют для измерения относительно малых перемещений
(обычно не более 0,1δ0).
Преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости
среды ε между электродами (рис. 6.6, в) широко используются для
измерения уровня жидких и сыпучих веществ, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей и других
областях промышленности, для счета изделий, охранной сигнализации и т. п. Они имеют линейную статическую характеристику.
Иногда диэлектрические свойства среды изменяются под воздействием температуры или механических усилий. Эти эффекты также используют для создания соответствующих измерительных преобразователей. Изменение проницаемости под воздействием температуры описывается выражением
εт = ε0(1 + α∆T),
где εт – диэлектрическая проницаемость материала при температуре Т;
ε0 – диэлектрическая проницаемость при температуре Т0; α – температурный коэффициент; ∆Т = Т – Т0.
78
6. Датчики линейного положения
Аналогичный вид имеет и зависимость изменения диэлектрической проницаемости материала от приложенного к нему усилия Р:
ет = е0 (1 + КSМ ∆P),
где КSМ – чувствительность материала к относительному изменению
диэлектрической проницаемости:
КSМ = (∆ε / ε) / (∆Р).
Для повышения чувствительности и линейности характеристик
используют дифференциальные преобразователи, у которых изменение состояния контролируемой величины приводит к изменению емкости одновременно двух чувствительных элементов, включаемых
в разные плечи мостовой измерительной схемы. В этом случае получаем реверсивную (двухтактную) статическую характеристику. При
изменении направления перемещения подвижного элемента выходной сигнал преобразователя изменяет свою фазу на 180 С° по отношению к фазе напряжения питания датчика, являющегося опорным
напряжением.
В зависимости от конструктивных особенностей емкость измерительных преобразователей колеблется от десятых долей до нескольких тысяч пикофарад, что приводит к необходимости использовать для питания датчиков напряжение повышенной частоты – от
1 000 до 108 Гц. Это один из существенных недостатков подобных
преобразователей.
Начальная емкость преобразователя тем больше, чем меньше зазор δ между электродами. Однако уменьшение зазора ограничивается
диэлектрической прочностью межэлектродной среды (для воздуха,
например, напряженность электрического поля не должна превышать
10 кВ/см) и наличием силы электростатического притяжения пластин:
F = –(l / 2) U2(ε ε0 S / δ2).
Один из возможных способов уменьшения силы притяжения
пластин – использование дифференциальных преобразователей, на
подвижную часть которых действуют электростатические силы противоположных направлений.
При проектировании емкостных преобразователей следует учитывать паразитные емкости Спар, создаваемые конструктивными элементами и соединительными проводами, которые шунтируют емкость С0
преобразователя и могут значительно уменьшить его чувствительность.
79
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Относительное изменение емкости цепи Сэ, состоящей из параллельно соединенных емкостей С0 и Спар, вызванное изменением емкости
С0, равно
∆Сэ / Сэ = (∆С0 / С0) / (1 + ∆Спар / С0).
Отсюда следует, что чувствительность преобразователя при
прочих равных условиях будет тем меньше, чем больше отношение
Спар/С0. Кроме того, с увеличением этого отношения растут дополнительные погрешности, так как емкость Спар изменяется под действием
внешних факторов.
Погрешности емкостных преобразователей в основном определяются влиянием температуры и влажности на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость среды. Уменьшить погрешности можно, используя конструкционные материалы с малым температурным коэффициентом линейного расширения или с помощью
герметизации датчиков.
Емкостные измерительные преобразователи являются практически безынерционными элементами с передаточной функцией W(p) = k,
поскольку частота питания датчика на два порядка и более превышает
частоту входного измеряемого сигнала.
К достоинствам емкостных измерительных преобразователей
можно отнести простоту конструкции, малые размеры и массу, высокую чувствительность, большую разрешающую способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных
контактов, высокое быстродействие, возможность преобразования за
счет выбора соответствующих конструктивных параметров, отсутствие влияния выходной цепи на измерительную.
Недостатки емкостных измерительных преобразователей: относительно низкий уровень выходной мощности сигналов, нестабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды,
влияние паразитных емкостей.
Для того чтобы уменьшить потери мощности выходного сигнала, применяют согласование нагрузки с внутренним сопротивлением
измерительной схемы. Реактивное сопротивление нагрузки выбирают
равным по значению и обратным по знаку внутреннему сопротивлению датчика, т. е. схему настраивают в резонанс.
Электромагнитные преобразователи. Электромагнитные преобразователи составляют большую группу преобразователей для измерения различных физических величин и в зависимости от принципа
80
6. Датчики линейного положения
действия могут быть как параметрическими, так и генераторными.
К параметрическим относятся преобразователи, изменяющие при помощи входного механического воздействия параметры магнитной цепи
(магнитную проницаемость µ, магнитное сопротивление Км и индуктивность обмоток L); к генераторным – преобразователи индукционного типа, использующие закон электромагнитной индукции для получения выходного сигнала. Они могут быть выполнены на базе трансформаторов и электрических машин.
Для устройства, изображенного на рис. 6.8, а, пренебрегая утечками магнитного потока, можно записать выражение для индуктивности обмотки w1 и взаимонндуктивности обмоток w1 и w2 в следующем
виде:
L = w12 ( Rм R δ ) ; М = w1w2 ( Rм + R δ ) ,
где Rм = l μа S – сопротивление ферромагнитного участка магнитной
цепи; Rδ = δ / μ0 S – сопротивление воздушного зазора δ; l – длина
ферромагнитного участка магнитной цепи; S – площадь сечения сердечника и зазора; μа и μ0 – магнитная проницаемость ферромагнитного участка магнитной цепи и воздуха в зазоре соответственно.
Рис. 6.8. Магнитная цепь трансформаторных преобразователей:
1 – якорь; 2 – магнитный сердечник; 3 – пластина
81
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Значения L и М можно изменять, уменьшая или увеличивая зазор δ, изменяя положение якоря, сечение S магнитного потока, поворачивая якорь относительно неподвижной части магнитной цепи, вводя в воздушный зазор пластину из ферромагнитного материала, соответственно уменьшая δ0 и магнитное сопротивление зазора, пластину
из электропроводящего неферромагнитного материала. В последнем
случае изменение L и М обусловлено размагничивающим действием
токов, индуцированных в пластине основным магнитным потоком,
проходящим по магнитной цепи.
Измерительные преобразователи, преобразующие естественную
входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности,
называются индуктивными. Преобразователи, преобразующие перемещение в изменение взаимоиндуктивности, принято называть трансформаторными.
В последних 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 μ0 сердечника, что приведет к изменению магнитного сопротивления сердечника Rм ≈ l μа S
и соответственно к изменению L или М (рис. 6.8, б). Такие 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 и др.
Если в зазоре постоянного магнита, или электромагнита, через
обмотку которого пропускается постоянный ток, перемещать обмотку
(рис. 6.8, б), то согласно закону электромагнитной индукции в обмотке появляется ЭДС, равная
е = – w (dФ/dt),
где dФ/dt – 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 выходную – в виде индуциро82
6. Датчики линейного положения
ванной ЭДС. Преобразователи, в которых скорость изменения измеряемой величины преобразуется в индуцированную ЭДС, называются
индукционными. Такие преобразователи используют для измерения
не только указанных ранее величин, но и расходов жидких и газообразных сред.
Индуктивные измерительные преобразователи. Рассмотрим
работу однотактного индуктивного преобразователя (рис. 6.9, а). Выходной сигнал получаем в виде переменного напряжения, снимаемого
с сопротивления нагрузки Rн, включенного в цепь помещенной на
сердечнике 1 обмотки 2. Питание осуществляется переменным напряжением U ~ с частотой от 50 до нескольких тысяч герц. Под действием входного сигнала перемещается якорь 3 и изменяется зазор δ.
Выходное напряжение
Uвых = I R.
Среднее значение тока в рабочей цепи преобразователя
I=U
(R
2
)
+ X 2 =U
(
) ( )
⎡ R2 + X 2 + ωL2 ⎤ ,
⎣
⎦
где R – суммарное сопротивление цепи, R = Rн + R0; R0 – сопротивление обмотки; ω – круговая частота.
а
б
Рис. 6.9. Схема однотактного индуктивного преобразователя
Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора,
магнитное сопротивление которого Rδ.
Здесь w – число витков обмотки
L = w2 / Rδ = w2/[δ / (μ0 S)] = μ0 Sw2.
83
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Учитывая, что на практике для индуктивных преобразователей
выполняется условие R << XL, получаем
Uвых = URнδ / (ω μ0 Sw2) = Кδ.
Коэффициент преобразования К = U Rн / ωμ0Sw2 – величина постоянная, поэтому статическая характеристика Uвых = f(δ0) должна
представлять собой прямую, проходящую через начало координат под
углом α = arctgК к оси абсцисс (рис. 6.9, б, штриховая линия). Реальная характеристика преобразователя показана на рисунке сплошной
линией. Как видно, она значительно отличается от идеальной. Это
объясняется тем, что при малых значениях δ допущение Rм << Rδ становится неверным, так как магнитное сопротивление ферромагнитного участка магнитной цепи rм становится соизмеримым с магнитным
сопротивлением зазора Rм, при больших значениях δ падает индуктивность обмотки, а реактивное сопротивление XL становится соизмеримым с активным сопротивлением магнитной цепи, т. е. R ≈ XL.
Это несоблюдение принятых вначале допущений и приводит
к искажению статической характеристики.
Анализ принципа действия и рассмотрение статической характеристики однотактного измерительного индуктивного преобразователя позволяют выявить его следующие недостатки: фаза выходного
сигнала не зависит от направления перемещения якоря; для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор
δо, что приводит к наличию остаточного (начального значения) напряжения Uвых.0 (рис. 6.9, б); на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремящаяся притянуть его к ярму. При большой
мощности сигнала выходной цепи она может принимать существенные значения, что требует введения компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами, а это значительно усложняет
устройство.
Из-за указанных недостатков однотактные измерительные
преобразователи используют только в качестве вспомогательных
элементов.
Непосредственно для измерительных целей применяют двухтактные измерительные преобразователи, которые могут включаться
по дифференциальной или мостовой схемам.
Дифференциальная схема включения индуктивного измерительного преобразователя требует использования трансформатора со
средней точкой (рис. 6.10).
84
6. Датч
чики линей
йного поло
ожения
Рис. 6.10.. Диффере
енциальна
ая схема включения
в
я
индуктив
вного изме
ерительного преобра
азователя
Сердечни
С
ики иден
нтичны по
п своим конструуктивным
м и магни
итным
характтеристиккам. Распооложенны
ые на ни
их обмоткки w1 и w2 также имеют
одинааковые паараметры
ы и включены посследоватеельно-всттречно. СопроС
тивлен
ние нагруузки вкллючается между средней
с
т
точкой
тррансформ
матора
и сред
дней точккой обмооток преообразоваттеля. В такой
т
схееме ток, протекающи
ий по соп
противлеению нагррузки, раавен разности токоов правой
й и левой пооловин сххемы:
iвых
= i1 – i2.
в
ет
А выходн
ное напрряжение составля
с
Uвыхх = Rн (i1 – i2),
При отсуутствии входного
П
в
о сигналаа зазоры между яккорем и ярмом
я
одинааковы (δ1 = δ2 = δ0). Равны
ы и инду
уктивноссти L1 и L2 обеих половин датчика,
д
определяяемые размерами
и зазороов. Следоовательно, выходноое напряж
жение прреобразоввателя раавно нулю
ю (рис. 66.11, а).
П перемещени
При
ии якоря на рассттояние X зазоры δ1 и δ2 становятся неравны
ыми.
85
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
а
б
в
Рис. 6.11. Графики тока и напряжения
Изменение зазоров приводит к изменению индуктивностей: увеличение δ2 ведет к уменьшению L1, а уменьшение – к увеличению L2.
Изменение индуктивностей плеч датчика приводит к дисбалансу токов I1 и I2, в результате чего через сопротивление нагрузки потечет
ток Iн и появится выходное напряжение (рис. 6.11, б).
Если изменяется направление перемещения якоря, фаза выходного напряжения сдвигается на 180° относительно напряжения питания, являющегося опорным (рис. 6.11, в).
Принцип действия мостовой схемы индуктивного преобразователя (рис. 6.12) аналогичен принципу действия дифференциальной
схемы. Выходное напряжение мостовой схемы
Uвых = U1 – U2 = I1 R – I2 R = R(I1 – I2).
В исходном состоянии δ1 = δ2 = δ0, L1 = L2 = L0, Uвых = 0, так как
I1 = I2 . Перемещение якоря вправо на расстояние X приводит
к изменению зазоров δ1 = δ0 + Х; δ1 = δ0 – X и индуктивностей плечей
моста:
L1 = L0 = ∆L; L2 = L0 + ∆L.
Считая, что активное сопротивление обмоток мало по сравнению с их индуктивным сопротивлением, можно записать
I1 = U ( R + jωL1 ) ; I2 = U ( R + jωL2 ) ;
тогда разность токов
I1 − I2 = jU ω ( L2 − L1 ) ⎡⎣ R 2 + jRω ( L1 + L2 ) + ω2 L1L2 ⎤⎦ .
86
6. Датч
чики линей
йного поло
ожения
Н основвании этоого получ
На
чаем
L2 – L1 = 2∆L
L; L1 + L2 = 2L0; L1L2 = L20
∆L2 ≈ Δ
ΔL2.
При маллых измеенениях зазора
П
з
δ функцияя L = f(xx) практи
ически
линей
йна и дляя нее спрраведливво отнош
шение ∆L = (L0 / δ0) X; следовательноо, получааем
I1 – I2 = 2 jUω
ω L0X / [δδ0 (R + jω L0)2]
Умноживв и раздеелив посследнее выражени
У
в
ие на (R + jωL0)2 и выделив действи
ительную
ю и мнимуую части
и, получи
им модулль разноссти токов I1 и I2 в виде
I1 − I2 = 2 Uω
ω L0X / [δ0 (R2 + ω2 L20)]
и выходное наапряжени
ие
Uвых
= R I1 − I2 = 2 Uω L0X / [δ0 (R2 + ω2 L20)]] Х.
в
Так как все парааметры, за исклю
Т
ючением X, являяются постоянными,, то полуучим
Uвых = kХ
Х,
где k = 2UωL0R / [δ0(R
R2 + ω2L20)] – коээффициеент преоб
бразовани
ия индукти
ивного даатчика.
Р
Рис.
6.12. Мостовая
я схема
инд
дуктивногго преобра
азователя
Рис. 6..13. Стати
ическая ха
арактерист
тика
двухтактн
д
ного индук
ктивного
прео
образовате
еля
87
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Таким образом, статическая характеристика двухтактного индуктивного измерительного преобразователя представляет собой
функцию вида Uвых = ki, что соответствует прямой, проходящей через
начало координат под углом α = arctgC (рис. 6.13).
Как видно из рисунка, при изменении направления перемещения
входной величины X фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Кроме того, с увеличением входного сигнала наблюдается отклонение выходной характеристики от линейной, что объясняется уменьшением
индуктивного сопротивления ωL и приближением его к сопротивлению нагрузки.
В связи с этим значение ΔХ для реверсивных индуктивных датчиков не должно превышать 0,3–0,4. В этом случае выходную характеристику можно считать линейной.
Чувствительность измерительного преобразователя зависит от
напряжения и частоты источника питания, сопротивления нагрузки,
индуктивности обмотки и начального зазора между якорем и ярмом.
Анализ выражения показывает, что максимальная чувствительность
двухтактного индуктивного преобразователя наблюдается при прочих
равных условиях, если индуктивное сопротивление катушки равно
активному сопротивлению нагрузки. В этом случае k = U/δ0. Следует
отметить, что мостовая схема по сравнению с дифференциальной
имеет примерно в 2,8 раза меньшую относительную чувствительность
при согласованной нагрузке.
Повышение питающего напряжения приводит к повышению чувствительности датчика, но при этом увеличиваются его размеры и масса.
При повышении частоты питающего напряжения растет чувствительность, уменьшаются размеры датчика, но при больших значениях частоты начинает сказываться влияние межвитковых емкостей,
что затрудняет балансировку датчика в нейтральном положении.
Двухтактные измерительные преобразователи с плоскопараллельным воздушным зазором используют при измерении малых перемещений (от сотых долей микрометра до 3–5 мм).
Трансформаторные измерительные преобразователи. Схема
трансформаторного измерительного преобразователя приведена на
рис. 6.14. Обмотки цепи питания w1 и w2 одинаковы и включены таким образом, что, когда по ним протекает рабочий ток, создаваемые
ими магнитные потоки Ф1 и Ф2 направлены встречно в центральном
стержне, на котором расположена выходная обмотка wо. В этом случае выходное напряжение
88
6. Датчики линейного положения
Uвых =4,44fw (Ф1 + Ф2),
где f – частота питающего напряжения.
Если считать ток в цепи питания постоянным, что достигается
включением в цепь питания дополнительного дросселя для однотактных датчиков или соответствующим включением обмоток питания
двухтактных датчиков, то потоки пропорциональны индуктивностям
обмоток w1 и w2
Ф 1 = I L 1 / w 1; Ф 1 = I L 2/ w 2.
Так как в рассматриваемой
конструкции преобразователя зазор остается постоянным, а якорь
перемещается вдоль зазора, то
значение индуктивности зависит
от сечения магнитного сердечника, определяемого площадью S
перекрытия, которая изменяется
при перемещении якоря.
В нейтральном положении
при Х = 0 площади перекрытия
равны (S1 = S2 = S0), что приводит
к равенству потоков Ф1 и Ф2; Рис. 6.14. Схема трансформаторного
измерительного преобразователя
следовательно, Uвых = 0.
При перемещении якоря
влево на расстояние X площадь перекрытия правого крайнего стержня
изменится на ∆S, а для потоков в крайних стержнях можно записать
Ф1 = w1 μ0 I / δ0; Ф2 = w2 μ0 I / δ0 (S0
∆S).
Выходное напряжение датчика опишется линейной зависимостью Uвых = k∆S = k1X, так как площади перекрытия пропорциональны
перемещению якоря X. На основании приведенных выше выражений
коэффициент преобразования
k = 4,44 f w1w2 μ0 I/δ0.
Как видно из сравнения данных формул, все приведенные ранее
соображения о влиянии конструктивных параметров на характеристики
индуктивного датчика относятся и к трансформаторным датчикам.
Погрешность индуктивных трансформаторных преобразователей определяется точностью исполнения геометрических размеров
89
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
сердечника, качеством материала, колебаниями напряжения и частоты питающего напряжения, изменениями температуры.
Учитывая, что обычно механические перемещения, являющиеся
входными сигналами датчиков, имеют сниженную частоту по сравнению с частотой питания, рассмотренные преобразователи можно считать безынерционными звеньями с передаточной функцией:
W(р) = U(р) / Х(р) = k.
Для их описания можно применять все динамические характеристики усилительного звена.
К достоинствам рассмотренных датчиков следует отнести:
• достаточно высокую выходную мощность, позволяющую во
многих случаях обойтись без усилительных устройств;
• высокие чувствительность и разрешающую способность;
• сравнительную простоту конструкции;
• высокую надежность;
• малую массу и размеры при расчете на напряжение повышенной частоты;
• невысокую стоимость.
Недостатками рассмотренных измерительных преобразователей
являются:
• трудность регулировки и компенсации начального напряжения на выходе преобразователя;
• необходимость экранирования для уменьшения уровня помех,
что увеличивает размеры и массу;
• возможность работы только на переменном токе; ограниченность диапазона линейной статической характеристики.
Магнитоупругие преобразователи. Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости μ (или индукции В) ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений σ, обусловленных воздействием на форромагнитные тела механических сил Р (растягивающие,
сжимающие, изгибающие, скручивающие). Существует и обратное явление (магнитострикция), когда внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного тела. Под численным значением
магнитострикции понимают относительное изменение ∆l/l = ε, длины l
стержня, обусловленное воздействием внешнего магнитного поля.
В общем случае магнитоупругий эффект имеет нелинейный характер, зависит от значения напряженности приложенного поля Н.
90
6. Датч
чики линей
йного поло
ожения
Однакко, выбиррая соответствую
ющие реж
жимы рааботы, моожно пол
лучить
линей
йные участки зави
исимости
и μ = f(σ
σ) или μ = f(P). Происхо
одящее
под деействием
м механической нагрузки
н
менное и
изменени
ие магодноврем
нитноой прониц
цаемости
и и линеейных раззмеров сердечник
с
ков мож
жно использоовать длля измереения даввления, усилий,
у
м
моментов
в деформ
маций.
Относсительную
ю чувстввительноость магн
нитоупруугого маттериала можно
м
характтеризоватть (подоб
бно тензорезисто
орам) коээффициен
нтом тен
нзочувствитеельности
и
μ/μ)/(∆l/l)) =εμ /εi..
kт = (∆μ
На рис. 6.15, а приведен
Н
п
примерн
ный граф
фик измеенения оттносительноой магни
итной прооницаемоости εμ в функции
и изменеения мехаанического напряжеения σ и соответсствующей ему оттносителььной лин
нейной
2
дефоррмации εi = ∆l/l. На
Н началььном учаастке (σ < 50 Н/м
мм ) коэф
ффициент теензочувсттвительн
ности досстигает значения
з
kт = 3000, а в ср
реднем
для вссей кривоой kт = 2220.
О
Относите
ельной магнитоу
м
упругой чувствительносттью матеериала
назыввают отн
ношение относиттельного изменен
ния магн
нитной пронип
цаемоости к мееханическкому нап
пряжению
ю kSμ = (∆μ/μ)/σ. Для криввой на
рис. 6.15,
6
а этаа величи
ина составвляет 0,1
11 % на 1 Н/мм2. Максимаальное
значен
ние отноосительноой чувсттвительно
ости для пермалллоя состтавляет
2
0,94 % на 1 Н/м
мм (при напряжеенности магнитно
м
ого поля Н = 0,02 А/мм),
А
2
для тррансформ
маторной стали – 0,8
0 % на 1 Н/мм (при
(
Н = 0,2 А/мм
м). При
этом значенияя напряж
женности
и пример
рно сооттветствую
ют макси
имуму
магни
итной прооницаемоости.
а
б
в
г
д
Рис. 6..15. Преоб
бразовател
лти дроссе
ельного
трансфо
орматорно
ого типа
91
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
В действительности значение kSμ значительно меньше, так как Н
выбирают исходя из линейности статической характеристики преобразователя.
При всем многообразии конструктивных решений магнитоупругих преобразователей по принципу действия их можно разбить на две
группы: преобразователи дроссельного (рис. 6.15, б, в) и трансформаторного (рис. 6.15, г, д) типов.
В преобразователях первого типа изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению полного электрического
сопротивления Z дросселя. Для этого случая чувствительность преобразователя можно выразить в виде
kSμ = (∆Z/Z)/σ.
Питание преобразователя при измерении статических или
медленно изменяющихся нагрузок осуществляется обычно от сети
переменного тока частотой 50 Гц. Иногда, чтобы повысить чувствительность, преобразователи питают током повышенной частоты
(до 10 кГц).
В магнитоупругих преобразователях трансформаторного типа
в качестве переменной величины, являющейся функцией приложенной силы, используется взаимная индуктивность, поэтому преобразователи трансформаторного типа являются, по существу, трансформаторами с переменным коэффициентом трансформации. Предположив,
что относительное изменение ЭДС вторичной обмотки равно относительному изменению проницаемости, чувствительность трансформаторного преобразователя можно выразить соотношением
kS = (∆U/U)/σ.
Чувствительность датчиков подобного типа достигает нескольких милливольт на ньютон (мВ/Н).
Первичная обмотка преобразователей питается от источника переменного тока, частоту которого выбирают из условий применения
преобразователя: при измерении статических и медленно изменяющихся процессов используют промышленную частоту, при измерении динамических процессов частота питающего тока должна быть в 5–10 раз
выше частоты измеряемого процесса.
Погрешности магнитоупругих преобразователей возникают при
конструктивных погрешностях, колебаниях напряжения, температурной нестабильности, достигающей 2 % на 10 °С. Погрешность возни92
6. Датчики линейного положения
кает в итоге гистерезиса и, как показали исследования, достигает 4 %
при статических и 1 % при динамических нагрузках. Для того чтобы
уменьшить эту погрешность, необходимо выбирать материал для изготовления сердечника с узкой петлей гистерезиса и высоким пределом упругости.
В процессе старения материала изменяются магнитная проницаемость и внутренние напряжения в нем, что приводит к нестабильности чувствительности. Искусственное старение (термообработка
и многократное нагружение) позволяет снизить эту нестабильность до
0,5 % для преобразователей из сплошного материала и до 2 % из листового. Для уменьшения погрешностей применяются дифференциальные схемы включения однотактных датчиков или дифференциальные конструкции датчиков.
Достоинства магнитоупругих датчиков – простая конструкция,
низкая стоимость, возможность измерения больших усилий. К недостаткам можно отнести необходимость стабилизации питающего напряжения, высокую температурную нестабильность, питание от источника переменного тока.
Индукционные преобразователи. Они относятся к генераторным. Для преобразования механического перемещения в электрический сигнал в них используется явление электромагнитной индукции –
наведение ЭДС в электрическом контуре, связанном с изменяющимся
магнитным потоком. Наведение ЭДС происходит независимо от причины изменения магнитного потока: перемещается ли обмотка в постоянном магнитном поле, изменяется ли магнитное поле при неподвижной обмотке.
В катушке индуктируется ЭДС, равная
е = –w (dФ/dt),
где е – мгновенное значение ЭДС; w – число витков катушки.
Индукционные преобразователи можно разделить на две группы. В преобразователях первой группы магнитное сопротивление на
пути постоянного магнита остается неизменным, а индуцированная
ЭДС наводится благодаря линейным (рис. 6.16, а) или угловым
(рис. 6.16, б) перемещениям катушки в зазоре.
В преобразователях второй группы постоянный магнит и катушка неподвижны, а индуцированная ЭДС наводится магнитным потоком за счет изменения размера воздушного зазора, подобно конструкции, изображенной на рис. 6.8, а.
93
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
а
б
Рис. 6.16. Индуктивные преобразователи
Поэтому, чтобы повысить чувствительность преобразователя,
необходимо увеличивать число витков катушки. Однако при этом необходимо учитывать, что при постоянном зазоре увеличение витков
катушки приводит к росту ее сопротивления. Увеличение зазора вызывает падение значения индукции В. Поэтому при конструировании
датчиков выбирают оптимальные параметры преобразователя с учетом сопротивления нагрузки.
Линейная зависимость индуцированной ЭДС от перемещения
катушки в зазоре сохраняется до тех пор, пока она перемещается
в области равномерного магнитного потока.
Индукционные преобразователи, представляющие собой небольшие генераторы постоянного тока, используют в приборах для
измерения скорости вращения валов, линейных и угловых вибраций.
Так как выходное напряжение индукционных преобразователей пропорционально скорости вибраций подвижной части, то для получения
напряжения, пропорционального амплитуде вибраций или ускорению, выходное напряжение необходимо подвергнуть интегрированию
или дифференцированию.
Лабораторная работа 5. Испытание резистивного датчика линейного положения
Цель работы – определить зависимость выходного напряжения
датчика от положения его указателя.
Перечень применяемой аппаратуры приведен в табл. 6.1.
Краткие теоретические сведения. Испытываемый резистивный
аналоговый датчик 2 (рис. 6.17) устанавливается в каретку горизонтального перемещения блока испытания датчиков линейного положения 1.
Указатель 3 датчика переместить в крайнее левое (относительно
корпуса датчика) положение и ручкой 4 горизонтального перемещения
установить указатель 3 датчика на отметку 0 горизонтальной линейки 5.
94
6. Датчики линейного положения
Таблица 6.1
Перечень аппаратуры
Приборы
G1– однофазный источник питания
А1 – блок испытания датчиков линейного положения
Тип
218.1
Параметры
~ 220 В / 16 А
Перемещения, мм
по горизонтали 0–100 мм;
по вертикали 0–120 мм
Выходы источника питания:
+5 В; +24 В.
Мультиметры MY60T, MY65
Диапазон измерения датчика:
0–100 мм
395
А2 – блок счетчика импульсов
409
А3 – блок мультиметров
Резистивный аналоговый датчик
509.3
Из набора
600.14
БЛОК ИСПЫТАНИЯ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНОГО ПОЛОЖЕНИЯ
2
0...5 В
+5 В
4
R=10 кОм
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110
120 130 140 150
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150
Выход
0В
Резистивный
аналоговый датчик
10
3
1
395
Рис. 6.17. Установка для испытания резистивного датчика положения:
1 – блок испытания датчиков линейного положения; 2 – резистивный аналоговый датчик положения; 3 – движок датчика; 4 – ручка горизонтального
перемещения; 5 – горизонтальная линейка
95
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
~220 B
1
0
1
0
+5 B
0B
0 B 0..5 B +5 B
218.1
G1
409
509.3
A2
A3
Рис. 6.18. Электрическая схема соединений
при испытании резистивного аналогового датчика
Резистивный датчик подключается к источнику питания +5 В
блока счетчика импульсов А2 (409). Напряжение на выходе резистивного датчика (гнезда 0 5 В и 0 В) измеряется мультиметром блока А3
(509.3). Электрическая схема соединений для испытания резистивного датчика приведена на рис. 6.18.
Однофазный источник питания G1 (рис. П.3.1, прил. 3) предназначен для безопасного питания блоков счетчика импульсов А2 (409)
и мультиметров А3 (509.3). Для измерения выходного напряжения резистивного датчика можно использовать любой из мультиметров блока А3 (509.3). После включения питания цепь готова к работе.
Электрическая схема соединений при испытании резистивного
аналогового датчика приведена на рис. 6.18.
Порядок проведения эксперимента:
Убедитесь, что переключатели «Сеть» блоков, используемых
в эксперименте, выключены.
Установите испытываемый резистивный аналоговый датчик 2
(рис. 6.17) в каретку горизонтального перемещения блока 1 испытания датчиков линейного положения.
Указатель 3 датчика переместить в крайнее левое относительно
корпуса датчика положение и ручкой 4 горизонтального перемещения
установить указатель 3 датчика на отметку 0 горизонтальной линейки 5.
Соединить аппаратуру в соответствии с электрической схемой
соединений (рис. 6.18).
96
6. Датчики линейного положения
Включить устройство защитного отключения и автоматический
выключатель в однофазном источнике питания G1.
Включите выключатель «Сеть» блоков счетчика импульсов А2
и блока мультиметров А3. Внимание! Мультиметр MY65 (блок 509.3)
неработоспособен, если он включен при нажатой кнопке HOLD.
Кнопку HOLD необходимо отжать.
Рукой передвигайте указатель датчика вдоль горизонтальной
линейки и измеряйте выходное напряжение датчика при нескольких
положениях указателя. Полный ход указателя датчика – 100 мм.
Результаты измерений занесите в таблицу и постройте график
полученной зависимости.
Лабораторная работа 6. Испытание индуктивного датчика
линейного положения
Цель работы – определить зависимость выходного тока датчика
от расстояния до объекта воздействия; исследовать зависимость характеристики датчика от свойств объекта воздействия.
Перечень применяемой аппаратуры приведен в табл. 6.2.
Краткие теоретические сведения. Испытываемый индуктивный
датчик и закрепленный в зажиме объект воздействия устанавливаются
в каретки вертикального и горизонтального перемещения блока испытания датчиков линейного положения (395), как показано на рис. 6.17.
С помощью ручки вертикального перемещения риска на корпусе
выключателя устанавливается на отметку 100 мм вертикальной линейки. С помощью ручки горизонтального перемещения указатель зажима
устанавливается на 0 горизонтальной линейки.
Таблица 6.2
Перечень аппаратуры
Приборы
G1– однофазный источник питания
А1 – блок испытания датчиков линейного положения
А2– блок счетчика импульсов
б3– Блок мультиметров
Индуктивный аналоговый датчик,
зажим и набор объектов воздействия
Тип
218.1
395
409
509.3
Из набора
600.14
Параметры
~ 220 В / 16 А
Перемещения:
по горизонтали 0–100 мм
по вертикали 0–120 мм
Выходы источника питания:
+5 В; +24 В
Мультиметры MY60T, MY65
Диапазон измерения датчика:
0–40 мм;
Объекты шириной 30; 60 и 90 мм
из различных материалов
97
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
~220В
Рис. 6.19. Электрическая схема соединений
при испытании индуктивного датчика
Индуктивный датчик подключается к источнику питания в блок
счетчика импульсов (409) +24 В. В зависимости от расстояния до объекта воздействия ток на выходе индуктивного датчика изменяется
в пределах 1,25–20 мА при нагрузке не более 600 Ом. Для измерения
тока к выходу датчика подключается миллиамперметр (мультиметр,
блок 509.3). Электрическая схема соединений для испытания индуктивного датчика приведена на рис. 6.19.
Однофазный источник питания G1(прил. 3) предназначен для
безопасного питания блоков счетчика импульсов А2 (409) и мультиметров A3 (509.3). Для измерения выходного тока индуктивного датчика можно использовать любой из мультиметров блока A3 (509.3).
После включения питания цепь готова к работе.
Порядок проведения эксперимента:
Убедитесь, что переключатели «Сеть» блоков, используемых
в эксперименте, выключены.
Установите индуктивный аналоговый датчик в каретку вертикального перемещения блока испытания датчиков линейного положения (рис. 6.17). С помощью ручки вертикального перемещения установите риску на корпусе выключателя на отметку 100 мм вертикальной линейки.
Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой
соединений.
Включите устройство защитного отключения и автоматический
выключатель в однофазном источнике питания G1.
98
6. Датчики линейного положения
Включите выключатель «Сеть» блоков счетчика импульсов А2
и блока мультиметров A3. Внимание! Мультиметр MY65 (блок 509.3)
неработоспособен, если он включен при нажатой кнопке HOLD.
Кнопку HOLD необходимо отжать.
Определите, на какие объекты реагирует индуктивный аналоговый датчик. Поочередно подносите объекты к торцу датчика и наблюдайте за изменением выходного тока датчика.
Установите зажим с выбранным объектом воздействия в каретку
горизонтального перемещения блока испытания датчиков линейного
положения (рис. 6.17). Ручкой горизонтального перемещения подведите объект воздействия к торцу датчика и по горизонтальной линейке определите смещение нуля (обычно 0–3 мм). Для определения точного расстояния между объектом воздействия и датчиком полученную величину смещения нуля необходимо вычесть из расстояния на
горизонтальной линейке.
Ручкой горизонтального перемещения постепенно отодвигайте
объект воздействия от бесконтактного выключателя и измеряйте выходной ток датчика. Рекомендуемый диапазон изменения расстояния
между датчиком и объектом 0–50 мм.
Повторите опыт при приближении объекта к датчику. Из-за гистерезиса характеристики датчика могут не совпадать.
Повторите измерения при смещении осей датчика и объекта
воздействия. Поскольку характеристика датчика симметрична, достаточно выполнить измерения при отклонении датчика от оси объекта
лишь в одну сторону.
Результаты измерений занесите в таблицы и постройте графики
полученных зависимостей.
Повторите измерения для объектов других размеров и свойств.
Лабораторная работа 7. Испытание бесконтактных выключателей
Цель работы – определить границы зоны включения/выключения
бесконтактного выключателя; исследовать зависимость границы зоны
включения/выключения от свойств объекта воздействия.
Испытываются оптический, емкостный и индуктивный бесконтактные выключатели. При приближении к ним объекта воздействия
выходной сигнал выключателя переключается из состояния логического 0 (низкий уровень выходного напряжения) в состояние логической 1
(высокий уровень выходного напряжения). Испытываются бесконтактные выключатели следующих типов:
99
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
оптический бесконтактный выключатель ВБО-М18-76У-3111-С;
емкостный бесконтактный выключатель ВБЕ-Ц30-96У-2111-ЗА;
индуктивный бесконтактный выключатель ВБИ-Ц30-89У-2111-3.
Перечень применяемой аппаратуры приведен в табл. 6.3
Таблица 6.3
Перечень аппаратуры
Приборы
G1– однофазный источник питания
А1 – блок испытания датчиков линейного положения
А2– блок счетчика импульсов
А3– блок мультиметров
Бесконтактные выключатели (индуктивный, емкостный и оптический), зажим и набор объектов воздействия
Тип
218.1
395
409
509.3
Из набора
600.14
Параметры
~ 220 В / 16 А
Перемещения:
по горизонтали 0–100 мм
по вертикали 0–120 мм
Выходы источника питания:
+5 В; +24 В.
Мультиметры: MY60T, MY65
Расстояние срабатывания датчиков: до 100 мм.
Объекты шириной 30; 60 и 90 мм
из различных материалов
Краткие теоретические сведения. Испытываемый бесконтактный выключатель и закрепленный в зажиме объект воздействия устанавливаются в каретки вертикального и горизонтального перемещения блока испытания датчиков линейного положения (395) как показано на рис. 6.17.
При помощи ручки вертикального перемещения риска на корпусе выключателя устанавливается на отметку 100 мм вертикальной линейки. При помощи ручки горизонтального перемещения указатель
зажима устанавливается на 0 горизонтальной линейки.
Бесконтактный выключатель подключается к источнику питания в +24 В блока счетчика импульсов А2 (409). Напряжение на выходе бесконтактного выключателя измеряется мультиметром блока
A3 (509.3). Общая для бесконтактных включателей электрическая
схема соединений приведена на рис. 6.20.
Однофазный источник питания G1 (прил. 3) предназначен для
безопасного питания блоков счетчика импульсов А2 (409) и мультиметров A3 (509.3). Для измерения выходного напряжения бесконтактного выключателя можно использовать любой из мультиметров блока
A3 (509.3). После включения питания цепь готова к работе.
Порядок проведения эксперимента:
Убедитесь, что переключатели «Сеть» блоков, используемых
в эксперименте, выключены.
100
6. Датчики линейного положения
Рис. 6.20. Электрическая схема соединений
при испытании бесконтактных выключателей
Установите бесконтактный выключатель в каретку вертикального перемещения блока испытания датчиков линейного положения
(рис. 6.17). Ручкой вертикального перемещения установите риску на
корпусе выключателя на отметку 100 мм вертикальной линейки.
Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой
соединений. Для подключения выхода датчика к мультиметру используйте щупы из комплекта мультиметра.
Включите устройство защитного отключения и автоматический
выключатель в однофазном источнике питания G1.
Включите выключатель «Сеть» блоков счетчика импульсов А2
и блока мультиметров A3. Внимание! Мультиметр MY65 (блок 509.3)
неработоспособен, если он включен при нажатой кнопке HOLD.
Кнопку HOLD необходимо отжать.
Определите, на какие объекты реагирует выключатель выбранного типа. Поочередно подносите объекты к торцу выключателя на
расстояние 5–10 мм и наблюдайте за выходным сигналом выключателя. Оптический выключатель не работает при расстоянии до объекта
воздействия менее 5 мм. Удалите объект от датчика и оцените расстояние, на котором происходит включение (выключение) датчика.
В некоторых случаях это расстояние может превышать диапазон перемещений горизонтальной каретки. Если емкостный выключатель
включен даже при отсутствии объекта воздействия (горит светодиод
на корпусе датчика), необходимо уменьшить его чувствительность
101
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
с помощью регулятора на заднем торце корпуса. Винт регулятора необходимо повернуть на несколько оборотов до погасания светодиода.
Установите зажим с выбранным объектом воздействия в каретку
горизонтального перемещения блока испытания датчиков линейного
положения (рис. 6.17). Ручкой горизонтального перемещения подведите объект воздействия вплотную к торцу датчика и по горизонтальной линейке измерьте величину смещения нуля (обычно 0–3 мм).
В дальнейшем полученное смещение нуля необходимо вычитать из
отсчета расстояния по горизонтальной линейке.
Ручкой горизонтального перемещения постепенно отодвиньте
объект воздействия от бесконтактного выключателя и зафиксируйте
расстояние, на котором произойдет переключение выходного напряжения. Обратите внимание на то, что оптический бесконтактный выключатель отключен, когда объект находится на расстоянии менее
5 мм от датчика. С увеличением расстояния оптический выключатель
включается и отключается лишь при увеличении расстояния до объекта. Для объекта белого цвета расстояние отключения может превысить 100 мм. На заднем торце корпуса емкостный выключатель имеет
регулятор чувствительности, позволяющий изменять расстояние
включения/отключения выключателя.
Повторите опыт при приближении объекта к датчику. Из-за гистерезиса расстояния при включении и отключении выключателя иногда могут и не совпадать.
Повторите измерения по предыдущим пунктам при смещении
осей датчика и объекта воздействия. Поскольку характеристика датчика симметрична, достаточно выполнить измерения при отклонении
датчика от оси объекта лишь в одну сторону.
Результаты измерений занесите в таблицу и постройте на плоскости границы области включения и отключения выключателя.
Повторите измерения для объектов других размеров и свойств.
Задания для самопроверки и контроля
1. Классификация датчиков линейного положения.
2. Конструкция реостатных пребразователей.
3. Выходная величина измерительных преобразователей.
4. Назначение реостатных преобразователей.
102
6. Датчики линейного положения
5. Абсолютная и относительная погрешность реостатных преобразователей.
6. Эквивалентная схема замещения реостатного преобразователя.
7. Назначение тензорезисторов.
8. Основные типы тензорезисторов.
9. Достоинства и недостатки тензорезисторов.
10. Принцип действии угольных преобразователей.
11. Тензолитовые преобразователи и их недостатки.
12. Принцип действия емкостных преобразователей.
13. Области использования емкостных преобразователей.
14. Факторы, влияющие на погрешности емкостных преобразователей.
15. Классификация электромагнитных преобразователей.
16. Принцип работы параметрических преобразователей.
17. Принцип действия генераторных преобразователей.
18. Исполнение генераторных преобразователей.
19. Изменение индуктивности и взаимоиндуктивности генераторных преобразователей.
20. Принцип работы индуктивных измерительных преобразователей.
21. Принцип действия магнитоупругих преобразователей.
22. Классификация магнотоупругих преобразователей.
23. Индукционные преобразователи.
24. Достоинства и недостатки магнитоупругих датчиков.
103
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
7.
ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В системах АЭП контролируемыми и регулируемыми координатами являются не только механические величины (угол поворота,
скорость, ускорение), но и электрические величины, такие как ток,
напряжение, ЭДС, мощность. Для измерения этих координат используются соответствующие датчики. К числу типовых можно отнести
датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН). Эти датчики наиболее часто
применяются, и на их основе строятся датчики ЭДС и мощности. Поэтому именно их рассмотрим как типовые.
Назначение ДН и ДТ – преобразование входной величины, т. е
напряжения или тока цепи преобразователя, двигателя в выходной
сигнал, пропорциональный входной величине. Датчики могут выполнять одновременно и функции согласующего элемента – потенциального разделителя, усилителя по напряжению, мощности. В зависимости от вида выходного сигнала датчики разделяются на аналоговые
и дискретные (цифровые).
На рис. 7.1 изображены обобщенные структурные схемы аналоговых (рис. 7.1, а) и цифровых (рис. 7.1, б) ДН и ДТ. В составе аналогового датчика с выходным напряжением на постоянном токе можно выделить три части: вводную цепь ВЦ, потенциальный разделитель ПР
и выходной усилитель ВЫХ.У. Собственно датчиком является вводная
цепь – делитель напряжения, шунт, трансформатор напряжения или тока с выпрямителем. Эта цепь преобразует измеряемые напряжения или
ток во входное напряжение постоянного тока Uвх. Потенциальный разделитель гальванически разъединяет входной и выходной сигналы. Для
осуществления в данном датчике потенциального разделения с помощью трансформатора необходимо иметь на входе трансформатора модулятор М, а на выходе – демодулятор ДМ, работающие вместе с коммутирующим устройством (генератором тактовых импульсов ГТИ).
Uвых = kв.ц kп.р kу.в U = kДН U;
Uвых = k′в.ц kп.р kу.в U = kДН I,
где kв.ц = Uвх / U; k′в.ц = Uвх / I; kп.р = Uвых / Uвх; kу.в = Uвых / UДТ – передаточные коэффициенты соответственно вводных цепей ДН и ДТ, потенциального разделения и выходного усилителя (рис. 7.1, а).
В отличие от безразмерного результирующего коэффициента
ДН kДН коэффициент ДТ kДТ имеет размерность сопротивления, Ом,
104
7. Датчики электрических величин
поскольку вводная цепь представляет собой шунт, с которого снимается напряжение:
• для измеряемой цепи постоянного тока
Uвх = k′в.ц I = Rш I;
•
для измеряемой цепи переменного тока
Uвх = k′в.ц I = kтт kе Rш I,
где kтт – коэффициент трансформации трансформатора; kе – передаточный коэффициент выпрямителя; Rш сопротивление шунта.
Выходной усилитель формирует усиленный по напряжению
и мощности выходной сигнал датчика Uвых. Характеристики управления ДН и ДТ без учета погрешностей прямолинейны.
Разделитель просто реализуется с помощью оптопар.
Характеристики управления цифровых ДН и ДТ описываются
выражениями
Nвх = kв.ц kп.р kАЦП U = kДН U;
Nвых =k′в.ц kп.р kАЦП I = kДН I,
где kу, kп.р = 1, kАЦП – передаточные коэффициенты соответственно
входного усилителя, оптронного потенциального усилителя и АЦП.
а
б
Рис. 7.1. Структурные схемы датчиков напряжения и тока
105
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Приведенными примерами не исчерпываются возможные варианты исполнения датчиков напряжения и тока. Так, в отличие от датчиков ДН-2АИ и ДТ-ЗАИ гальваническая развязка цепей может выполняться не на трансформаторах, а на оптронах. Это упрощает структуру датчиков, так как отпадает необходимость в модуляции
и демодуляции промежуточного сигнала. Дальнейшее развитие микроэлектроники отразится, конечно, на элементной базе датчиков, однако
в функциональном отношении они сохранят свою структуру. В составе
датчиков напряжения и тока всегда необходимы входная измерительная цепь, потенциальный разделитель, усилительное и согласующее
устройства, что отражено на структурных схемах (рис. 7.1).
На основе рассмотренных датчиков с использованием регуляторов и согласующих элементов могут составляться схемы датчиков
различных величин, непосредственное измерение которых затруднено. В таких датчиках реализуется косвенное выделение измеряемой
величины на основании известных соотношений, которые связывают
искомую величину с величинами, непосредственно измеряемыми
с помощью имеющихся датчиков. Например, датчик мощности цепи
постоянного тока можно составить из датчиков напряжения, тока
и блока умножения, в котором перемножаются выходные величины
датчиков напряжения и тока. Датчик производной тока якоря можно
составить из датчиков ЭДС преобразователя, тока и скорости двигателя, выходные величины которых алгебраически суммируются
в усилителе с учетом знаков и коэффициентов, определяемых уравнением якорной цепи системы «преобразователь – двигатель». Аналогично могут строиться и комплексные датчики неэлектрических величин – момента, ускорения и т. д.
Лабораторная работа 8. Испытание датчиков напряжения
и тока
Цель работы – определить передаточные характеристики и оценить погрешность датчиков тока и напряжения с гальванически изолированными цепями входа и выхода.
При выполнении работы испытываются аналоговые датчики
напряжения и тока с гальванической развязкой между цепями входа
и выхода:
датчик тока с преобразователем Холла LTS 6-NP;
датчик тока с опторазвязкой на основе микросхемы HCPL 7840;
датчик напряжения с опторазвязкой на основе микросхемы
HCPL 7840;
106
7. Датчики электрических величин
трансформатор напряжения;
трансформатор тока.
Датчики 1, 2, 3 испытываются как на постоянном, так и на переменном токе или напряжении; трансформаторы 4 и 5 – только на переменном напряжении или токе (рис. 7.2).
Перечень применяемой аппаратуры приведен в табл. 7.1
Таблица 7.1
Перечень аппаратуры
Приборы
G1 – однофазный источник питания
А1 – источник питания
Тип
218.1
216.1
A3 – блок мультиметров
А8 – блок датчиков тока и напряжения
509.3
402.4
Параметры
–220 В /16 А
0–20 В; 0,5 А;
0–5 В; 1,5 А;
0–10 кГц
MY60T; MY65
5 датчиков с гальванической
развязкой
Краткие теоретические сведения. При выполнении работы используется блок датчиков тока и напряжения А8 (402.4) (рис. 7.2).
В блок встроены испытываемые датчики с необходимыми шунтами
или делителями напряжения и источниками питания. На вход испытываемого датчика подается постоянное или переменное напряжение
или ток от источника питания А1 (216.1) (рис. П.4.1, прил. 4). Выходной сигнал датчиков измеряется мультиметром (блок A3, 509.3).
Датчики 1, 2 и 3 (рис. 7.2) питаются от встроенных в блок А7
источников питания +5 В. При испытании этих датчиков необходимо
включить выключатель «Сеть» блока датчиков тока и напряжения.
Схемы электрические соединений при испытании датчиков тока
и напряжения показаны на рис. 7.3–7.8. На всех схемах входной сигнал датчика (напряжение или ток) поступает от источника питания А1
(216.1) и измеряется мультиметром MY60T блока A3 (509.3). Выходной сигнал датчиков измеряется мультиметром MY65 (блок A3). Однофазный источник питания G1 предназначен для безопасного питания блоков А1, A3, А8.
Компенсационный датчик тока с преобразователем Холла
LTS 6-Np выполнен на магнитопроводе с тремя обмотками: две измерительных (3 витка на пределе 2А; 12 витков на пределе 0,5 А)
и компенсирующая. Датчик Холла установлен в зазоре магнитопровода и измеряет его магнитный поток. На основе сигнала датчика Холла
107
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
следящая система автоматического регулирования задает ток компенсирующей обмотки так, чтобы магнитный поток в магнитопроводе был
равен нулю. Датчик работает как на постоянном, так и на переменном
токе. Выходной сигнал датчика – напряжение, изменяющееся в диапазоне ±0,625+2,5 В. Частотный диапазон датчика 0–100 кГц (погрешность 6 %). Измерительные обмотки датчика можно использовать одновременно для вычисления суммы и разности двух токов. Подробное
описание датчика приведено в файле lts6-np.pdf.
Схема испытания датчика LTS 6-Np представлена на рис. 7.3.
Мультиметр MY60T блока A3 измеряет ток на входе датчика,
а мультиметр MY65 – напряжение на выходе датчика. Источник питания А1 задает постоянный или переменный ток в цепи из последовательно соединенных резистора сопротивлением 2 Ом (установлен
в блоке А1), обмотки датчика тока (блок А8), входа измерения тока
мультиметра MY60T (гнёзда А и СОМ, блок A3).
Рис. 7.2. Блок датчиков тока и напряжения: 1 – датчик тока
с преобразователем Холла LTS 6-NP; 2 – датчик тока с опторазвязкой на основе микросхемы HCPL 7840; 3 – датчик напряжения с опторазвязкой на основе микросхемы HCPL 7840; 4 –
трансформатор напряжения; 5 – трансформатор тока АС 1005
108
7. Датчик
ки электри
ических величин
в
Рис. 7.3. Электри
ическая сх
хема соеди
инений
при испы
ытании дат
тчика ток
ка с преобр
разователе
ем Холла ((LTS 6-NP)
Рис. 7.4.
7
Схема испытани
ия датчик
ка тока
с опторазвя
язкой на основе
о
микросхемы HCPL 784
40
На основве микроосхемы с оптораззвязкой HCPL
Н
H
78840 выполнены
датчикки тока (рис.
(
7.4) и напряяжения (рис.
(
7.5)). На вхоод микросхемы
подаеттся напряжение с шунта (датчик
(
тока)
т
или
и делителля напряяжения
109
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
(датчик напряжения). Микросхема имеет дифференциальный вход
с номинальным диапазоном входных сигналов ±200 мВ и выходы:
(неинвертирующий ±0,8+2,5 В и инвертирующий +0,8+2,5 В). При
измерении разности напряжений на выходах микросхемы постоянные
составляющие вычитаются и выходной сигнал меняется в диапазоне
±1,6 В, т. е. номинальный коэффициент усиления микросхемы равен
восьми. Частотный диапазон микросхемы при погрешности не более
5 % равен 0–20 кГц.
Датчик тока на основе HCPL 7840 испытывается по схеме,
рис. 7.4. Источник питания А1 задает постоянный или переменный
ток в цепи из последовательно включенных шунта датчика тока
(блок А8) и входа измерения тока мультиметра MY60T (гнёзда А
и СОМ, блок A3). Для облегчения регулировки тока датчик целесообразно подключить к выходу источника А1 через резистор сопротивлением 2 Ом (установлен в блоке А1).
Датчик напряжения на основе HCPL 7840 испытывается по
схеме на рис. 7.5. Источник питания А1 задает постоянное или переменное напряжение в цепи из параллельно соединенных делителя
датчика напряжения (блок А8) и входа измерения напряжения мультиметра MY60T (гнёзда V и СОМ, блок А3).
Трансформатор напряжения испытывается по схеме, см. рис. 7.6.
На первичную обмотку (U1) подается переменное напряжение частотой 50 Гц с выхода источника питания А1. Это же напряжение измеряется мультиметром MY60T блока A3. Выходное напряжение трансформатора (U2) измеряется мультиметром MY65. Трансформатор работает в режиме холостого хода, так как входное сопротивление
мультиметра около 10 МОм.
Трансформатор тока АС 1005 испытывается по схемам
рис. 7.6–7.8. Эти схемы отличаются сопротивлениями нагрузки трансформатора тока. Во всех схемах переменный ток первичной обмотки
частотой 50 Гц задается источником питания А1. К выходу А1 последовательно подключены резистор 2 Ом (встроен в А1), одна из первичных обмоток трансформатора тока (1 А или 0,5 А) и вход измерения тока (гнезда А и СОМ) мультиметра MY60T
В схеме (рис. 7.6) вторичная обмотка трансформатора тока 12
подключена к входу измерения тока мультиметра MY65. В этом случае
сопротивление нагрузки вторичной обмотки 10 Ом, на пределе 20 мА.
Включенное параллельно обмотке, сопротивление в 1 кОм можно
не учитывать.
110
7. Датчик
ки электри
ических величин
в
Рис. 7.5. Схема испытания датчика
д
напряжени
н
ия с оптор
развязкой
Рис. 7.6. Схема
С
исп
пытания тр
рансформ
матора ток
ка при под
дключении
и
его втори
ичной обмо
отки к вхо
оду измере
ения тока
а мультиме
етра MY65
5
В схеме (рис. 7.7) втори
ичная обм
мотка тррансформ
матора то
ока 12
нагруж
жена на параллеельно соеединенны
ые резистторы 1 ккОм и 25
50 Ом,
т. е. сопротив
с
вление нагрузки
н
и равно 200
2 Ом. Напряж
жение наа этом
111
Датчик
ки в систе
емах автом
матики на
а горных предприят
п
тиях
сопроотивлении
и измеряяется муультиметр
ром MY
Y65. При номинаальном
токе вторично
в
ой обмоткки 5 мА напряжен
н
ние на наагрузке ссоставит 1 В.
В схеме (рис. 7.88) вторич
чная обм
мотка тррансформ
матора то
ока 12
нагруж
жена на резисторр в 1 кОм
м. Напряяжение на
н этом ссопротиввлении
измерряется муультиметтром MY
Y65. При
и номинаальном тооке втор
ричной
обмоттки 5 мА напряжеение на нагрузке
н
составитт 5 В.
Рис. 7.7. Схема
Р
С
испы
ытания тр
рансформатора тока
при по
одключени
ии его вто
оричной об
бмотки к нагрузке
н
2
200 Ом
Р
Рис.
7.8. Схема
С
испы
ытания тр
рансформатора тока
при п
подключен
нии его вто
оричной обмотки
о
к нагрузке 1 кОм
112
7. Датчики электрических величин
Порядок проведения эксперимента:
Проверьте схему электропитания блоков А1, A3, А8 и G1. Убедитесь, что выключатели «Сеть» этих блоков отключены.
Включите устройство защитного отключения и автоматический
выключатель в однофазном источнике питания G1.
Для испытаний при постоянном напряжении (токе) установите
выходное напряжение источника питания близким к нулю:
Подключите к выходу источника питания А1 (гнезда 9, 11;
прил. 3, рис. П.3.1) вход измерения напряжения одного из мультиметров блока A3. Установите постоянное выходное напряжения источника А1 (тумблер 2) и соответствующий предел измерения мультиметра.
Включите выключатель «Сеть» блоков А1 (216.1) и A3 (509.3).
Внимание! Мультиметр MY65 (блок 509.3) неработоспособен, если
он включен при нажатой кнопке HOLD. Кнопку HOLD необходимо
отжать.
По показаниям мультиметра установите ручкой «Ампл.» выходное напряжение источника А1 близким к нулю (диапазон 0,1–1 В для
постоянного тока).
Отключите питание блоков А1 (216.1) и A3 (509.3) выключателями «Сеть» этих блоков.
Для испытаний при переменном напряжении (токе) установите
частоту выходного сигнала источника А1:
Подключите к выходу источника питания А1 (гнезда 9, 11) вход
измерения напряжения мультиметра MY65 блока A3. Установите переменное выходное напряжения источника А1 (тумблер 2) и предел
измерения частоты на мультиметре MY65.
Включите выключатель «Сеть» блоков А1 (216.1) и A3 (509.3).
С помощью ручки «Ампл.» увеличьте выходное напряжение источника А1 для получения устойчивых показаний частоты. Тумблером 5
выберите диапазон частоты источника, а ручкой 6 «Частота» установите
значение частоты, при которой будет проводиться испытание датчика.
Отключите питание блоков А1 (216.1) и A3 (509.3) выключателями «Сеть» этих блоков.
Ручкой «Ампл.» источника А1 поверните против часовой стрелки до упора, т. е установите минимальное выходное напряжение источника.
После завершения предварительных настроек:
Убедитесь, что выключатели «Сеть» блоков А1, A3, А8 отключены.
113
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Соедините блоки в соответствии со схемой электрической соединений выполняемого эксперимента (рис. 7.2–7.8).
Включите питание блоков А1, А2, А8.
Проведите испытание датчика напряжения или тока (см. ниже).
После завершения испытаний отключите питание всех блоков.
Испытание датчиков напряжения. Выполните предварительную подготовку блоков. Соберите цепь испытания датчика (рис. 7.5
или 7.6). Включите напряжение питания (см. описание предварительной подготовки эксперимента выше).
Установите переключатель диапазонов выходного напряжения
источника питания А1 в положение «20 В/0,5 А».
Вращая регулятор выходного напряжения «Ампл.» источника
питания А1 установите несколько значений входного напряжения
испытываемого датчика (мультиметр MY60T, блок A3). Измерьте
при этих напряжениях выходной сигнал датчика (мультиметр MY65,
блок A3) и занесите результаты измерений в таблицу. При испытании
на постоянном токе датчика на основе микросхемы HCPL7840 необходимо определить характеристику датчика как при положительных,
так и отрицательных входных напряжениях.
Испытания при переменном напряжении необходимо выполнять
на частоте 50 Гц. В пределах частотного диапазона мультиметров
блока A3: 50–400 Гц может быть выбрана и иная частота.
Испытания могут быть проведены как при синусоидальном, так
и несинусоидальном напряжении. При испытании датчика при переменном напряжении (синусоидальном и несинусоидальном) амплитуда
переменного напряжения на выходе источника питания А1 не может
превышать максимального значения 20 В. Соответственно максимальное значение выходного напряжения, В, источника по показаниям
мультиметров составит:
для синусоидального напряжения U m 2 = 20 2 ≈ 14,1;
треугольного напряжения 1,11U т 2 = 20 ⋅1,11 2 ≈ 11,1;
прямоугольного напряжения 1,11U т = 20 ⋅1,11 ≈ 22,2;
пилообразного напряжения 1,11U т 2 = 20 ⋅1,11 2 ≈ 11,1.
При определении максимальных значений напряжений учтено,
что показания мультиметров, используемых для измерений, соответствуют средневыпрямленному значению измеряемого напряжения,
умноженному на коэффициент формы синусоиды, равной 1,11.
114
7. Датчики электрических величин
Испытание датчиков тока. Выполните предварительную подготовку блоков, используемых при испытаниях. Соберите цепь испытания датчика (рис. 7.2, 7.3, 7.6, 7.7 или 7.8) и подайте напряжение
питания (см. описание предварительной подготовки эксперимента).
Установите переключатель диапазонов выходного напряжения
источника питания А1 в положение «5 В/1,5 А».
Вращая регулятор выходного напряжения «Ампл.» источника
питания А1, установите несколько значений тока испытываемого датчика (мультиметр MY60T, блок A3), измерьте выходной сигнал датчика (мультиметр MY65, блок A3) и занесите результаты в таблицу.
При испытании на постоянном токе датчиков LTS 6-Npи
HCPL 7840 необходимо определить характеристику датчика как при
положительных, так и при отрицательных входных токах.
Испытания при переменном токе необходимо выполнить на частоте 50 Гц.
В пределах частотного диапазона мультиметров блока A3 (50–
400 Гц) может быть выбрана и иная частота. Для трансформатора тока АС1005 номинальный диапазон частот 50–60 Гц, частотный диапазон датчиков LTS 6-Npи HCPL7840 существенно шире (0–100 кГц
и 0–20 кГц соответственно).
При испытании датчиков на переменном токе (синусоидальном
и несинусоидальном) необходимо учитывать, что показания мультиметров, используемых для измерений, соответствуют средневыпрямленному значению измеряемого тока, умноженному на коэффициент
формы синусоиды, равной 1,11. При синусоидальном токе приборы
показывают его действующее значение. При треугольной и пилообразной форме тока показания прибора равны 1,11Iw / 2 = 0,555/m. При
прямоугольной форме тока – 1,11Iт.
Внимание! Не допускается превышать указанные для выбранного предела («20 В/0,5 А» или «5 В/1,5 А») значения напряжения
и тока нагрузки источника.
Задания для самопроверки и контроля
1. Основные составные части аналоговых датчиков напряжения
и тока и укажите их функциональное назначение.
2. Ответьте, чем определяются передаточные коэффициенты
датчиков напряжения и тока.
115
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
3. Охарактеризуйте назначение датчиков электрических величин.
4. Охарактеризуйте назначение потенциального разделителя.
5. Опишите состав вводной цепи.
6. Ответьте, с помощь каких устройств можно производить
гальваническую развязку.
7. Характеристики управления датчиками тока и напряжения.
116
Библиографический список
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ДТП.002 РБЭ (940.1). Датчики технологических параметров.
Руководство по выполнению базовых экспериментов / под ред.
П. Н. Сенигова. – Челябинск: ИПЦ «Учеб. техника», 2008. – 74 с.
2. Элементы систем автоматики: учеб. пособ / Б. С. Заварыкин,
Л. В. Нехорошева, С. И. Мурашкин, В. В. Павлов; ГУЦМиЗ. – Красноярск, 2005. – 172 с.
3. Элементы и устройства автоматики: учеб. для вузов / под ред.
Ю.А. Сабинина. – СПб.: Политехника,1995. – 472 с.
5. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / под
ред. В. И. Круповича, Ю. Г. Барыкина, М. Л. Самовера. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М. Энергоиздат, 1982. – 416 с., ил.
6. Системы и устройства автоматики для горных предприятий /
под ред. Ю. Н. Камынина, Л. Г. Мелькумова. – М.: Недра, 1992.
117
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Блок электронагревателя
Блок электронагревателя (рис. П.1.1) используется для тестирования датчиков температуры. Позволяет задать и автоматически поддерживать температуру нагревателя. В блоке установлен маломощный
источник (+ 5 В) для питания микросхемы датчика температуры.
Слева от индикаторов 3 и 4 (рис. П.1.1), на лицевой панели регулятора температуры, установлены 4 светодиода:
К1 – включен при нагреве;
К2 – не пользуется;
АL – индикатор превышения предельных значений (не используется);
RS – индикатор режима работы автоматического регулирования.
Должен быть включен для нормальной работы блока в режиме автоматического регулирования. При выключении автоматического регулирования (см. ниже) прибор работает как индикатор температуры
нагревателя.
Задание температуры электронагревателя:
1. Нажать одну из кнопок управления 5 или 6 регулятора температуры 2 (рис. П.1.1). В итоге начинает мигать индикатор 4 заданного
значения температуры нагревателя (SV, зеленый).
2. Для изменения заданного значения температуры повторно
нажать кнопку 5 (уменьшение) или 6 (увеличение) температуры.
Удерживание кнопки в течение некоторого времени включает режим
автоматического ускоренного изменения назначения. В процессе установки индикатор продолжает мигать.
3. После установки требуемого значения температуры необходимо однократно нажать кнопку 7. Мигание индикатора 4 прекращается. Температура задана.
При выполнении экспериментов рекомендуется начать с низких
значений температуры (на 5–10°С выше комнатной), постепенно повышать ее величину до 100 °С, так как остывание электронагревателя
происходит гораздо медленнее его нагревания.
Включение (отключение) режима автоматического регулирования. При включении питания электронагревателя режим автоматического регулирования выключен. При выполнении экспериментов
118
Приложение 1
целесообразно задать начальное
значение температуры и после
этого включить режим автоматического регулирования.
Переключение
режима
автоматического регулирования. Одновременно нажать кнопку 7 регулятора температуры. На
индикаторе 3 (красный, РV) – надпись «r-S». На индикаторе 4 – сообщение о текущем состоянии регулятора: «StoP» («Стоп») или
«rUn» («Работа»).
2. Для изменения состояния
регулятора нажать на кнопку 5
или 6 – индикатор начнет мигать.
Повторное нажатие кнопки 5 или
6 переключит режим («StoP» ↔
«rUn»).
Рис. П.1.1. Лицевая панель блока
электронагревателя (394.1): 1 – отверстие нагревателя; 2 –измерительрегулятор температуры; 3 – индикатор
текущего значения температуры нагревателя (РV); 4 – индикатор заданного значения температуры (SV); 5, 6,
7 – кнопки управления регулятором
температуры; 8 – выключатель питания; 9 – гнезда источника питания
+5 В
3. Нажатие кнопки 7 фиксирует выбранное значение (индикатор 4
не мигает). Повторное нажатие кнопки 7 возвращает регулятор температуры в исходное состояние: на индикаторе отображаются текущее и заданное значения температуры. Светодиод RS сигнализирует
о состоянии регулятора: включен – режим «rUn» («Работа»); выключен – «StoP» («Стоп»).
119
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Блок счетчиков импульсов
Блок счетчика импульсов (рис. П.2.1) используется при тестировании датчика с импульсным или частотным выходом. Счетчик выполняет счет импульсов с суммированием или вычитанием частоты
импульсов и измерение интервалов времени. Блок используется и как
маломощный источник питания с фиксированными напряжениями +5
и +24 В и суммарным током обеих источников не более 100 мА.
Элементы управления счетчиком импульса. Счетчик импульсов А2 необходимо сконфигурировать для счета частоты.
Возможны следующие конфигурации счетчика импульсов:
1 – выключатель «Сеть»;
2 – счетчик импульсов СИ8;
3 – индикаторы направления счета ( + и – ) и состояния контактов
К1, К2 управления внешней цепью. Эти контакты не используются
в данном комплекте оборудования и не выведены на лицевую сторону;
4 – индикатор счета;
5, 6 – кнопки управления счетчиком;
7 – кнопки перевода счетчика в режим программирования;
8–10 – вводы счетчиков 1–3. В зависимости от режима работы
счетчика назначение этих входов изменяются. Активным уровнем
(т. е. вызывающим срабатывание счетчика) для всех входов является
логический элемент 0 (напряжение на входе не более 0,8 В относительно «0 В» или вход замкнут через внешний контакт на «0 В»). Состоянию логического 0 соответствует уровень напряжения более 2 В
или разомкнутая цепь входа;
11 – кнопка «Сброс». При подключении к гнезду 10 (вход 3) используется для обнуления счетчика в некоторых режимах работы
счетчика импульсов;
12 – тумблер «Счет – Стоп». При соединении с гнездом 9 (вход 2)
используется для остановки или возобновления счета в некоторых
режимах работы счетчика импульсов;
13–15 – выводы стабилизированного источника питания счетчика. Суммарный ток нагрузки выходов (+5 В или +24 В) не должен
превышать 100 мА;
120
Приложение 2
16 – индикатор перегрузки источника питания счетчика с самонастраивающимся предохранителем. При срабатывании этой защиты необходимо устранить перегрузку и кратковременно разомкнуть цепь нагрузки. Счетчик СИ 8 имеет и встроенную быстродействующую защиту
от перегрузок. При ее срабатывании гаснут все индикаторы на лицевой
панели счетчика. После устранения перегрузки работа счетчика автоматически восстанавливается.
Перед использованием блока надо задать конфигурацию счетчика импульсов, необходимую для выполнения конкретной лабораторной работы. Программирование (конфигурирование) счетчика импульсов целесообразно выполнить до подключения к блоку какихлибо внешних цепей.
Рис. П.2.1. Блок счетчиков импульса
121
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Перевод счетчика импульсов в режим программирования:
1. Включить тумблер «Сеть». Счетчик переходит в режим «Работа».
2. Для перехода в режим «Программирование» нажмите и удерживайте кнопку «Прог.» на лицевой панели счетчика до появления на
индикаторе надписи rES (примерно 5 с).
3. Счетчик входит в меню верхнего уровня. Переключение между пунктами меню происходит при нажатии на кнопку со стрелкой
вверх. Кнопка со стрелкой вправо – переход от любого пункта меню
сразу к пункту out, позволяющему при нажатии кнопки «Прог.» сохранить установленные параметры и вернуться в режим «Работа».
Назначение пунктов меню:
с rES – сброс счетчика импульсов (не используется в лабораторных работах);
t Res сброс счетчика времени (не используется в лабораторных
работах);
GrouP_А – уставки срабатывания логических устройств управления выходными контактами (не используются, рекомендуемые значения указаны ниже);
GrouP_b – параметры загрузки счетчика импульсов. Требуют однократной установки (проверки) и в дальнейшем не должны изменяться;
GrouP_С – основные параметры конфигурации счетчика импульсов (требуют настройки или проверки установленных значений);
GrouP_d – параметры работы логических устройств (не используются, рекомендуемые значения приведены ниже);
GrouP_Е – параметры интерфейса RS 485 (не используются, изменение нецелесообразно);
оut – при нажатии кнопки «Прог.» – выход из режима программирования и переход в режим «Работа».
Выбрав необходимый пункт (группа параметров в меню верхнего уровня), нажимаем кнопку «Прог.» и переходим в меню нижнего
уровня. Все меню нижнего уровня организованы аналогично меню
верхнего уровня.
После входа в меню нижнего уровня появляется запрос кода
доступа Pin_0000. Если код доступа не установлен, для продолжения
нажимаем кнопку «Прог.» и переходим к списку параметров группы
(меню нижнего уровня).
Назначение кнопок управления в меню нижнего уровня:
1. Кнопка со стрелкой вверх – переход от одного пункта меню
к другому.
122
Приложение 2
2. Кнопка со стрелкой вправо – переход к пункту меню оut.
3. Кнопка «Прог.» – переход в режим редактирования выбранного параметра. Для пункта оut переход в меню верхнего уровня.
После выбора необходимого параметра и перехода к режиму его
редактирования кнопки управления выполняют следующие функции:
1) кнопка со стрелкой вправо – выбор изменяемого разряда многоразрядного числа. Не используется, если параметр одноразрядное
число;
2) кнопка со стрелкой вверх – изменение выбранного параметра
или разряда многоразрядного числа;
3) кнопка «Прог.» – сохранение выбранного значения параметра
или разда многоразрядного числа.
Далее, изменяем другие параметры группы и возвращаемся в меню верхнего уровня (выбираем пункт оut и нажимаем кнопку «Прог.»).
Рассмотрим некоторые параметры, значения которых необходимо
изменять или контролировать при выполнении лабораторных работ.
Группа GrouP_А – уставки включения логических устройств,
управляющих выходными контактами. Для блокирования работы логических устройств целесообразно установить большое значение уставок, например U1= U2 = 9000000.
Группа GrouP_b – (параметры загрузки счетчика импульсов).
В группу входят следующие параметры:
Strt – начальное значение счетчика импульсов, загружаемое
в него при сбросе после достижения минимального (FinL) или максимального (FinН) значений. Проверить и при необходимости восстановить значение Strt, равное нулю.
FinL – минимальное значение счетчика. По достижении этой величины счетчик сбрасывается к значению Strt. Должно быть
FinL = 9 999 999.
FinН – максимальное значение счетчика. По достижении этой
величины счетчик сбрасывается к значению Strt. Должно быть
FinН = 9 999 999.
Указанные значения параметров должны быть при выполнении
всех лабораторных работ.
Группа GrouP_С – (параметры и режимы работы счетчика импульсов). В группу входят следующие параметры:
Р – коэффициент деления предделителя. Указывает, сколько
входных импульсов должен отсчитать предделитель, прежде чем показания счетчика импульсов увеличатся на один диапазон допусти123
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
мых значений (1–9 999), В большинстве случаев должно быть Р = 1,
т. е. предделитель отключен. Указания по изменению значения Р даны в описании лабораторных работ.
F – множитель (диапазон 0,0000001–99999990). Указывает величину, на которую должно быть умножено значение счетчика импульсов перед его выводом на индикатор прибора. В большинстве случаев F = 1.
Ti – период измерения частоты импульсов на входе счетчика.
Может быть задан в диапазоне 1–99 с. При ti = 1 с (Р = F = 1) на индикаторе будет показана частота входных импульсов.
di – смещение показаний частотомера (диапазон 0,0000001–
9999999). Константа, добавляемая к содержимому счетчика после его
умножения на F, перед выводом значения счетчика на индикатор
прибора. Должно быть установлено di = 0.
Inp = 1–6 – задает конфигурацию входов прибора. Необходимое
значение указано в описании конкретных работ.
Tс – постоянная времени входного фильтра устранения дребезга
контактов (диапазон 0,1–999,9 мс). Увеличение постоянной времени
снижает максимальную частоту счета импульсов. При выполнении
большинства лабораторных работ устанавливается минимальная постоянная времени 0,1 мс при значении tс = 0.
Ind – выводимый на индикатор параметр 1–5. Необходимое значение указано в лабораторной работе.
Init перезагрузка счетчика значением параметра Strt (GrouP_b)
при включении питания прибора. Должна быть включена init = 1.
Группа GrouP_d – режим работы логических устройств. Для
блокирования работы логических устройств рекомендуется установить следующие значения параметров, включенных в эту группу:
SeL1 = 1, dir1 = 1, Set1 = 2, SEL2 = 1, dir2 = 3, Set2 = 2.
Параметры других групп не влияют на выполнение лабораторных работ и менять их заводские установки не следует.
Рассмотрим задание параметров для нескольких типовых конфигураций, используемых в лабораторных работах.
Счетчик импульсов с возможностью блокировки и сброса.
Подключение входов счетчиком импульсов.
Вход 1 (рис. П.2.1) – считаемые импульсы. Импульс фиксируется при переходе напряжения на входе от уровня 19 («более 2 В») относительно «0В» к уровню 0 «менее 0,8 В».
Вход 2 – подключается к тумблеру «Счет/Стоп». При разомкнутом
тумблере (положение «Счет») счетчик считает импульсы на входе 1, при
124
Приложение 2
замкнутом тумблере (положение «Счет») счет импульсов останавливается с сохранение уже накопленного результата.
Вход 3 – подключается к кнопке «Сброс». При нажатии на
кнопку счетчик импульсов обнуляется.
Параметры конфигурации счетчиков
Группа GrouP_ b. Проверить соблюдение необходимого условия
Strt = 0, FinL = 9 999 999, FinН = 9 999 999.
Группа GrouP_С. Установить: Р = F = ti = 1;
inp = 2 (суммирующий счетчик импульсов);
ind = 1 (вывод на индикатор содержимого счетчика);
Проверить установки di = 0, tс = 0, Ftt = 0, init = 1.
Если считываемые импульсы поступают от механического контакта, для устранения дребезга необходимо увеличить tс до 10–20 мс
(установить tс = 10 или иное значение в диапазоне 10–20).
Счетчик с раздельными входами для импульсов увеличения
и уменьшения содержимого счетчика и входом сброса (обнуления)
счетчика (реверсивный счетчик).
Подключение входов счетчика импульсов.
Вход 1 – импульсы увеличения содержимого счетчика.
Вход 2 – импульсы уменьшения содержимого счетчика.
Вход 3 – подключается к кнопке «Сброс». При нажатии на
кнопку счетчик импульсов обнуляется.
Параметры конфигурации счетчика
Группа GrouP_ b. Проверить соблюдение необходимого условия
Strt = 0, FinL = 9 999 999, FinН = 9 999 999.
Группа GrouP_С. Установить: Р = F = ti = 1;
inp = 3 (суммирующий счетчик импульсов);
ind = 1 (вывод на индикатор содержимого счетчика);
Проверить установки di = 0, tс = 0, Ftt = 0, init = 1.
Если считываемые импульсы поступают от механического контакта, для устранения дребезга необходимо увеличить tс до 10–20 мс
(установить tс = 10 или иное значение в диапазоне10–20).
Измерение скорости вращения. Используется оптический датчик, дающий 12 импульсов на 1 оборот вала.
Подключение входов счетчика импульсов.
Вход 1 – импульсы с выхода оптического датчика.
Вход 2 – подключается к тумблеру «Счет/Стоп». При разомкнутом
тумблере – положение «Счет» – счетчик считает импульсы на входе 1,
125
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
при замкнутом тумблере – положение «Стоп» – счет импульсов останавливается.
Вход 3 – подключается к кнопке «Сброс». При нажатии на
кнопку счетчик импульсов обнуляется.
Параметры конфигурации счетчика
Группа GrouP_ b. Проверить необходимое условие (Strt = 0,
FinL = 9 999 999, FinН = 9 999 999).
Группа GrouP_С. Установить: Р = F = ti = 1;
inp = 2 (суммирующий счетчик импульсов);
ind = 2 (вывод на индикатор частоты импульсов).
Проверить установки di = 0, tс = 0, Ftt = 0, init = 1.
Если считываемые импульсы поступают от механического контакта, для устранения дребезга необходимо увеличить tс до 10–20 мс
(установить tс = 10 или иное значение в диапазоне 10–20).
При указанных параметрах счетчик отображает частоту импульсов, поступающих с выхода оптического датчика.
Для отображения числа оборотов скорости вращения вала в виде
числа оборотов в минуту необходимо задать Р = 1 и F = 5. При этом
частота сигнала на оптическом датчике (12 импульсов в минуту на
оборот) умножается на 5. Таким образом, получаем умножение числа
оборотов вала в секунду на 12 · 5 = 60 и определяем скорость вращения вала в оборотах в минуту.
Режим секундомера. При низком уровне сигнала на входе 3 показания счетчика обнуляются (кнопка «Сброс»). При высоком уровне
сигнала на входе 2 начинается счет времени (Формат индикатора: часы, минуты, секунды, сотые доли секунд). При низком уровне сигнала
на входе 2 счет приостанавливается и возобновляется при следующем
появлении высокого уровня на этом входе. Для ручного управления
секундомером вход 2 подключается к тумблеру «Счет – Стоп», а вход
3 – к кнопке СБРОС, вход 1 в этом режиме не используется.
Параметры конфигурации счетчика
Группа GrouP_ b. Проверить необходимое условие (Strt = 0,
FinL = 9 999 999, FinН = 9 999 999).
Группа GrouP_С. Установить: Р = F = ti = 1;
inp = 6 (счет времени);
ind = 3 (вывод на индикатор счетчика времени).
Проверить установки di = 0, tс = 0, Ftt = 0, init = 1.
126
Приложение 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Источник питания
Регулируемый источник питания постоянного и переменного
напряжения предназначен для питания испытываемых датчиков
и блоков комплекта и задания напряжений и токов при испытании
датчиков этих величин.
Элементы управления источником питания
Элементы управления источника питания показаны на рис. П.3.1:
1 – выключатель «Сеть»;
2 – переключатель рода выходного напряжения «Переменное
напряжение» или «Постоянное напряжение»;
3 – индикатор формы выходного переменного напряжения (синусоидальное, треугольное, прямоугольное, пилообразное);
4 – кнопка переключения формы переменного напряжения;
5 – переключатель диапазона частот переменного напряжения;
6 – ручка плавной регулировки частоты переменного напряжения;
7 – переключатель диапазона выходного напряжения и тока. Для
переменного напряжения указанные на лицевой панели значения соответствуют максимально возможной амплитуде;
8 – ручка плавной регулировки выходного напряжения;
9–11 – выходные гнезда. Гнездо 10, подключенное к выходу 9
через резистор в 2 Ом, используется при испытании датчиков тока
с низким входным сопротивлением.
Порядок работы с источником питания:
Если уровень выходного напряжения источника неизвестен, перед включением источника отключите его нагрузку.
Проверьте подключение источника к питающей сети и включите
источник (выключатель «Сеть» в положение 1).
Переключателем 7 установите диапазон выходного напряжения
(20 В/0,5 А или 5 В/1,5 А).
Установите требуемый вид выходного напряжения (постоянное
или переменное) переключателем 2.
Для переменного напряжения выберите форму выходного напряжения, нажимая на кнопку 4.
Подключите мультиметр (MY65, блок 509.3) к выходу источника питания (гнезда 9, 11).
127
Датчики в системах автоматики на горных предприятиях
Рис. П.3.1. Лицевая панель источника питания
С помощью мультиметра установите требуемую величину постоянного или переменного напряжения ручкой регулировки 8. Эта
величина соответствует действующему значению синусоидального
напряжения (тока), составляет 0,555 амплитуды треугольного или пилообразного напряжения (тока) и 1,11 амплитуды прямоугольного напряжения (тока).
Для переменного напряжения выберите диапазон частот выходного напряжения переключателем 5 и установите требуемую частоту
ручкой 6. Для измерения частоты используйте соответствующий предел измерения мультиметра MY65 (блок мультиметров 509.3).
Подключите испытываемую цепь к выходным гнездам 9 или
10, 11.
128
Приложение 3
При перегрузке источника срабатывает защита и выходное напряжение и ток снижаются практически до нуля. В этом случае необходимо устранить причину перегрузки, например, уменьшить выходное
напряжение источника, и на 5–10 с разомкнуть цепь нагрузки для восстановления защиты. Для размыкания цепи нагрузки можно установить
переключатель диапазона «5 В, 1,5 А» – «20 В, 0,5 А» (7, рис. П.3.1)
в среднее положение.
Внимание! В диапазоне «5 В, 1,5 А» возможно искажение формы напряжения с амплитудой более 6 В.
Основные технические характеристики регулируемого источника питания таковы:
выходное напряжение – переменное и постоянное;
диапазоны регулировки выходного напряжения постоянного напряжения (–5) – 0 – +5 В и (–20) – 0 – +20 В; амплитуды переменного
напряжения – 0–5 В и 0–20 В.
Амплитуда тока нагрузки на пределе 5 В – не более 1,5 А, на
пределе 20 В – 0,5 А.
Форма выходного переменного напряжения: синусоидальная,
треугольная, прямоугольная, пилообразная.
Диапазоны регулировки частоты переменного напряжения не ỳже
1 – 100 Гц и 100 Гц – 10 кГц.
129
Датчик
ки в систе
емах автом
матики на
а горных предприят
п
тиях
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
С
Схема
электр
ропита
ания блоков
б
компл
лекта
При вып
П
полнении
и всех лаборато
л
орных раабот блооки комп
плекта
«Датч
чики техн
нологичееских парраметровв» для поовышени
ия электробезопасности подкключаюттся к сети
и через однофазн
о
ный истоочник пи
итания
G1 (218.1), вкключающ
щий устройство защитног
з
го отклю
ючения, в соотной на ри
ис. П.4.1. Для раззличных работ
ветстввии со сххемой, прриведенн
наборр блоков, требующ
щих питания от сети и подключааемых к источи
нику G1 (2188.1), мож
жет отлличаться от примера, пооказанно
ого на
рис. П.4.1.
П
П вып
При
полнении
и лаборатторной работы
р
н
необходи
имо собл
людать
следую
ющий поорядок поодачи пи
итания наа испыты
ываемую цепь:
У
Убедитес
сь, что вы
ыключаттели питаания «Сеть» всех устройсттв, использууемых в эксперим
менте, усстановлен
ны в полоожение ««Выключено».
С
Соедини
ите аппарратуру в соответст
с
твии со схемой
с
эллектропи
итания
выполлняемой работы.
В
Включит
те устрой
йство защ
щитного отключеения и аввтоматич
ческий
выклю
ючатель в однофаазном истточнике питания
п
G1.
П
При
исп
пользован
нии регуулируемо
ого источ
чника пи
итания (216.1)
(
напряяжение наа его выхходе устаановите по показзаниям м
мультиметра до
подкллючения нагрузки
и.
Ри
ис. П.4.1. Схема
С
электропитан
ния блоков комплек
кта
130
Приложение 4
Соберите испытываемую цепь.
Включите выключатель «Сеть» всех блоков выполняемой работы. Внимание! Мультиметр MY65 (блок 509.3) неработоспособен, если он включен при нажатой кнопке HOLD. Кнопку HOLD необходимо отжать.
Выполните испытания датчиков, предусмотренные заданием.
При необходимости изменения исследуемой цепи отключите выключатель «Сеть» блоков, питающих испытываемую цепь. Измените
схему, включите выключатели «Сеть» используемых источников питания.
По завершении работы отключите выключатель «Сеть» всех
блоков и автоматические выключатели в однофазном источнике питания G1 (218.1).
131
Учебное издание
Заварыкин Борис Сергеевич
Гаврилова Екатерина Владимировна
Ковалёва Ольга Алексеевна
Кручек Ольга Анатольевна
ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ
НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Редактор Т. И. Тайгина
Корректор В. Р. Наумова
Компьютерная верстка О. А. Кравченко
Подписано в печать 02.07.2014. Печать плоская. Формат 60×84/16
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 8,25. Тираж 500 экз. Заказ № 512
Издательский центр
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел./факс (391) 206-21-49, e-mail: rio@lan.krasu.ru
Отпечатано Полиграфическим центром
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, Красноярск, пр. Свободный, 82а
Тел./факс (391) 206-26-49; тел. (391) 206-26-67
E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
195
Размер файла
6 235 Кб
Теги
датчик, обучающихся, вузов, система, направл, горный, автомати, учебно, предприятия, пособие, студентов, 173
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа