Файл: Н.М. Шаулева Датчики.pdf

0

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет Кафедра электропривода и автоматизации

ДАТЧИКИ

Методические указания к лабораторной работе по курсу ″ Технические средства автоматизации″ для студентов направления 550200

Составитель Н.М. Шаулева Утверждены на заседании кафедры Протокол № 2 от 16.11.99 Рекомендованы к печати методической комиссией по направлению 550200 Протокол № 2 от 16.11.99

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2000

1

ДАТЧИКИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с принципом действия, конструкцией и схемами датчиков. Исследовать работу датчиков в статическом режиме.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Необходимыми элементами любой автоматической системы управления, сигнализации и контроля являются датчики, которые преобразуют контролируемую (измеряемую) величину в выходной сигнал, удобный для передачи и дальнейшего использования. Датчики выполняют функции источников первичной информации о ходе управляемого процесса.

Величина контролируемого параметра воспринимается чувствительным элементом (ЧЭ) и преобразуется в другую физическую величину преобразователем (П). Затем при помощи измерительной схемы (ИС) выделяется и усиливается та часть сигнала, которая несет информацию о состоянии контролируемого параметра технологического процесса или объекта управления.

Датчики должны отвечать следующим требованиям:

а) иметь необходимый диапазон измерения входных и выходных сигналов, достаточную высокую мощность выходного сигнала;

б) обладать высокой чувствительностью и малыми инерционностью и погрешностью;

в) иметь высокую надежность, допустимые габариты и массу. Датчики классифицируют по ряду признаков.

По виду измеряемой величины различают датчики положения, скорости, давления, температуры, тока, мощности и др.

По принципу преобразования (типу чувствительного элемента) выделяют параметрические и генераторные датчики. В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в изменение параметра электрической цепи (активного, индуктивного или емкостного сопротивления). В генераторных датчиках входной сигнал преобразуется в ЭДС.

Параметрические датчики широко используются для контроля перемещения, давления, температуры, уровня и других технологических

2

параметров. Для работы этого класса датчиков требуется источник энергии.

Генераторные датчики применяют для измерения температуры (термопары), скорости перемещения, частоты вращения (тахогенераторы) и др. Они не требуют источника энергии.

По виду выходного сигнала датчики делят на аналоговые и дискретные (цифровые и позиционные).

Датчики характеризуются чувствительностью, которая представляет собой отношение приращения выходного сигнала в статике и статической характеристикой, представляющей собой функциональную зависимость между входной Х и выходной Υ величинами в установившемся режиме.

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенных видов датчиков.

1.1. Проволочные тензометрические датчики

Тензодатчики предназначены для измерения деформаций в деталях машин и механизмов. Действие их основано на свойстве проводников под воздействием упругих деформаций изменять свою длину и сечение, в результате чего меняется их активное сопротивление в соответствии с известной зависимостью

где ρ – удельное сопротивление, Ом; l – длина проводника, м; S – сечение проводника, м2.

Преобразовательный элемент датчика выполнен из проволоки с высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления (манганина, константана, нихрома, никеля). Также в качестве тензорезистивного материала можно использовать высокотемпературные сплавы: платино-серебряные, платиновольфрамовые; полупроводниковые материалы: германий, кремний. Наиболее распространены тензодатчики, выполненные из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые. Проволочные тензодатчики выполняют из проволоки диаметром 0,002 – 0,05 мм, которую укладывают частыми петлями длиной 5 – 20 мм на тонкую бумагу или лаковую пленку и приклеивают к ней (рис. 1, а). К концам проволоки при-

3

паивают медные выводы. Сверху преобразователь покрывают лаком. Материал для пленки выбирают в зависимости от условий эксплуатации. Тензометрические датчики на пленке из клея БФ–2 работают в диапазоне температур от -40 до 70 ° С, на бакелитовом лаке – до 200 ° С. Для более высоких температур используют специальные высокотемпературные клеи и цементы.

сопротивления из-за изменения температуры окружающей среды, преобразователи включаются по мостовой схеме, где происходит выделение полезного сигнала, который затем усиливается (рис. 1). Фольговые преобразователи более совершенны, чем проволочные. Они имеют решетку из тонких полосок фольги прямоугольного сечения толщиной 4-12 мкм, полученную травлением и нанесенную на лаковую подложку. Благодаря большой площади контакта полосок фольгового тензодатчика 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. 1, б). Коэффициент чувствительности проволочных тензодатчиков близок к двум: для константа - 2, для нихрома - 2,2, для хромеля - 2,5. Другое достоинство фольговых тензодатчиков заключается в возможности изготовления решеток сложного профиля, которые наиболее полно удовлетворяют условиям измерения.

К достоинствам тензодатчиков можно отнести незначительную массу, малые размеры, простоту конструкции, возможность измерения

4

статических и динамических процессов, к недостаткам – относительно невысокую чувствительность, возможность только разового использования, необходимость мостовой измерительной схемы и компенсаций температурных воздействий.

1.2. Индуктивные датчики

Индуктивные датчики (ИД) предназначены для измерения сравнительно малых угловых или линейных механических перемещений и их преобразования в электрический сигнал переменного тока, для контроля изменения давления, расхода жидкостей и газов и т.д. В основу работы индуктивного измерительного преобразователя положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять индуктивность при изменении величины зазора.

Наибольшее применение находят ИД с переменными величинами воздушного зазора, площади зазора или магнитной проницаемости (магнитоупругие датчики).

На рис. 2, а изображен простейший ИД линейного перемещения с переменным воздушным зазором δ , являющимся входным сигналом датчика.

Он состоит из магнитопровода 2, на котором помещается обмотка 3, и якоря 1, удерживаемого пружинами. Магнитопровод и якорь выполняются из шихтованного магнитомягкого материала. Обмотка наматывается медным проводом с малым активным сопротивлением.

Индуктивность катушки с магнитопроводом при наличии воздушного зазора δ :

стального магнитопровода и воздушного зазора, Гн-1; lм – средняя длина стального магнитопровода, м; δ – длина воздушного зазора, м; µ ,µ 0 – магнитные проницаемости стального магнитопровода и воздуха, Гн/м;

Sм, Sδ – площади поперечного сечения магнитопровода и воздушного зазора, м2.

U zH

Uвых

zН Uвых

U

Рис. 2. Индуктивные датчики: а - с переменной величиной воздушного зазора; б - его характеристики; в - с переменной площадью сечения; г - плунжерного типа

Так как Rδ >> Rм.ст., то индуктивность катушки определяем по более простой зависимости

Изменение воздушного зазора δ при перемещении якоря 1 относительно неподвижного магнитопровода 2 приводит к изменению индуктивности L катушки датчика 3.

6

В цепи обмотки протекает ток:

Поскольку активное сопротивление R = Rн+ rд представляет собой постоянную величину, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей сопротивления хL = ω L, которая, в свою очередь, зависит от величины воздушного зазора δ .

Таким образом, статическая характеристика Uвых = f (δ ) ИД будет линейной (прямая 1 рис. 2, б). Реальная характеристика будет иметь нелинейные участки при малых и больших величинах зазора δ (кривая 2 рис. 2, б). При малых δ Rм.ст. становится соизмеримым с магнитным сопротивлением воздушного зазора Rδ , а при больших δ индуктивная составляющая ω L соизмерима с величиной (Rн + rд), что определяет искажение характеристики.

ИД с переменным воздушным зазором δ применяют для измерения перемещений в диапазоне 0,1 – 1 мм. При больших δ статическая характеристика становится нелинейной. Поэтому при перемещениях до 5 – 8 мм используют ИД с переменной площадью (рис. 2, в), а при еще больших перемещениях (до 50 мм) – ИД плунжерного типа (рис. 2, г). Для питания индуктивных преобразователей применяют переменный ток как промышленной (50 Гц), так и повышенной частоты (400, 500, 1000 Гц), что позволяет уменьшить габаритные размеры датчиков.

К недостаткам простейших ИД относят наличие тока Ix и, следовательно, напряжения Uост на выходе при δ = 0 (рис. 2, б), а также низкую чувствительность при малых перемещениях. Кроме того, эти датчики являются однотактными и поэтому не реагируют на изменение знака входной величины. Отмеченные недостатки отсутствуют у двух-