Файл: Н.М. Шаулева Датчики.pdf

7

тактных ИД, обычно включаемых по дифференциальной или мостовой схемам.

Соединяя преобразователи по дифференциальной схеме, можно выделить полезный сигнал и повысить чувствительность датчика. Датчик питается от трансформатора, имеющего отпайку от средней точки (рис. 10). Перемещение стержня ведет к увеличению индуктивного сопротивления одного преобразователя и к уменьшению его в другом преобразователе. При этом через нагрузку протекает разностный ток, фиксируемый миллиамперметром.

1.3. Датчики температуры

Чувствительным элементом датчиков температуры является проводниковый или полупроводниковый термометр сопротивления (терморезистор). Измерение температуры термометрами сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении их температуры.

Для изготовления полупроводниковых резисторов применяют окислы титана, магния, железа, марганца, кобальта, никеля, меди или кристаллы некоторых металлов с примесями. Для измерения температуры наиболее часто используют полупроводниковые резисторы типов ММТ – 1, ММТ – 4, КМТ – 1, КМТ – 4, у которых в рабочих интервалах температур сопротивление меняется по экспоненциальному закону

R = A exp (B/T),

где А и В – постоянные коэффициенты, зависящие от физических свойств материала (полупроводника); Т – абсолютная температура терморезистора.

Существенным достоинством терморезисторов является большой температурный коэффициент электрического сопротивления (от 3 10-2 до 4 10-2 1/° С). Вследствие большого удельного электрического сопротивления полупроводников из них можно изготовлять термометры малых размеров с большим начальным сопротивлением, что позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов и других элементов электрической измерительной схемы термометра.

Существенным недостатком полупроводниковых терморезисторов является плохая воспроизводимость их параметров, что исключает

8

их взаимозаменяемость, а также сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от -60 до +180 ° С).

На рис. 3 показан бусинковый полупроводниковый терморезистор. Полупроводниковый элемент 1 имеет форму шарика диаметром 0,5 мм, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик вмонтированы электроды 2 из платиновой проволоки диаметром 0,05 мм, соединенные с никелевыми выводами 3.

Рис. 3. Бусинковый полупроводниковый резистор

В качестве чувствительного элемента проводниковых термопреобразователей сопротивления используют платину и медь. Промышленно выпускаемые термометры сопротивления

(ТСМ) в диапазоне от -50 до +180 ° С. Чувствительный элемент ТСП имеет вид спирали, помещенной в канавки двухили четырехканального керамического каркаса и уплотненной порошкообразным оксидом алюминия. Чувствительный элемент медных ТС представляет собой бескаркасную обмотку из медной изолированной проволоки, покрытой фторопластовой пленкой и помещенной в металлический защитный чехол.

Все технические термометры сопротивления выпускают взаимозаменяемыми.

Изменение сопротивлений чистых металлов составляет от 3,7 до 6,5 % на 10 ° С, что соответствует температурному коэффициенту электрического сопротивления в пределах (3,7 – 6,5) 10-3 1/° С. Сопротивление чистых металлов монотонно возрастает при увеличении температуры, и эта зависимость отличается стабильностью.

9

1.4. Индукционный датчик

Для измерения скорости движения ферромагнитных тел с неравномерно распределенной массой (например скребков скребкового конвейера, барабана с прорезями или зубцами и др.)применяют магнитоиндукционные датчики ДМ–2, ДМ–2М, ДМИ–1.

Рис. 4. Магнитоиндукционный датчик ДМ–2М

Магнитоиндукционный датчик ДМ–2М (рис. 4) состоит из кольцевого постоянного магнита 1 с расположенным внутри него стальным сердечником 2, на который надета катушка 3. Все элементы помещены в пластмассовый корпус 6. Магнитопровод, образуемый сердечником и магнитом, разомкнут пластмассовой пробкой 4, прижимаемой к катушке крышкой 5. К рештаку конвейера датчик крепится с помощью накладных планок и болтов (на рисунке не показаны). При прохождении звеньев цепи конвейера над разомкнутой частью магнитопровода в катушке наводится ЭДС, подаваемая с помощью кабеля на вход реле скорости.

Принцип действия индукционных датчиков определяется законом электромагнитной индукции:

скорость изменения магнитного потока.

Рис. 5. Тахогенераторный датчик

С ростом скорости объекта скорость изменения потока возрастает, следовательно, возрастает величина ЭДС. С увеличением воздушного зазора между датчиком и объектом скорость изменения потока уменьшается.

Датчик ДМ–2М отличается от датчика ДМ–2 повышенной герметичностью и выходной мощностью, что позволяет увеличить рабочий зазор между магнитной системой датчика и скребковой цепью, повысить его надежность за счет устранения трения цепи о датчик.

Тахогенераторные датчики УПДС–2 и ДКС (рис. 5) представляют собой десятиполюсной тахогенератор 9 однофазного переменного тока, заключенный в пластмассовый корпус 8. Ротор 7 тахогенератора, являющийся постоянным магнитом, через муфту 6 соединен с приводным роликом 1. Корпус генератора соединен с рычагом 2 и шарнирно связан со скобой 3, которая крепится болтами к раме конвейера. Ролик датчика прижимается к ленте с помощью пружины 5. Регулировочным бол-

11

том 4 можно изменять величину контролируемого провисания ленты. Искробезопасность датчика обеспечивается неотключаемым селеновым шунтом 10, находящимся в его корпусе. Поступательное движение ленты конвейера преобразуется во вращение ролика вместе с ротором тахогенератора. Выходной сигнал в виде ЭДС, вырабатываемой датчиком, находится в линейной зависимости от скорости ленты.

Рис. 6. Структурная схема цифрового датчика скорости

Рис. 7. Кодовый диск фотоэлектрического датчика импульсов

В современных системах автоматизированного электропривода с большими диапазонами регулирования скорости и высокими требованиями к ее стабилизации точность тахогенераторных датчиков может оказаться недостаточной. Для таких систем используют цифровые датчики скорости (ЦДС). Функционально в ЦДС выделяют две основные части: импульсный преобразователь скорости – датчик импульсов, преобразующий угловую скорость вала в импульсы с частотой f, пропорциональной скорости, и кодовой преобразователь – счетчик импульсов СИ, формирующий на интервале измерения Т цифровой код Аn выходной величины датчика скорости (рис. 6).

12

Датчик импульсов может быть выполнен на основе индуктоксина или фотоэлектрического кодового диска. В любом варианте датчик импульсов вырабатывает две серии импульсов, сдвинутых по фазе на π /2, которые используются для определения угловой скорости и ее знака. На рис. 7 изображен кодовый диск фотоэлектрического датчика импульсов. На двух дорожках расположены пропускающие свет щели. Свет от источников ИС1 и ИС2 через щели попадает на фотодиоды BL1 и BL2, которые при этом открыты и пропускают ток. Когда щель выходит из луча света, фотодиоды запирают цепь. При вращении диска с угловой скоростью ω BL1 и BL2 дают чередование максимального и минимального сигналов с частотой

где NД,И – импульсная емкость кодового диска – число импульсов на один оборот диска.

Рис. 8. Схема датчика импульсов

Токовый сигнал фотодиода изменяется по форме и амплитуде при изменении скорости вращения. Поэтому для получения стабильных сигналов с неизменными амплитудой и продолжительностью в состав датчика импульсов входит узел формирования выходных импульсов (рис. 8). В усилителе У1 токовый сигнал фотодиода BL1 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 продолжитель-

13

ностью. Выходной импульс Uвых с неизменными амплитудой и продолжительностью τ формируется с помощью одновибратора. Аналогичный узел имеется и для импульсов второй дорожки кодового диска с фотодиодом BL2. Для каждого направления вращения в датчике импульсов имеется свой выходной канал.

Выделение импульсов на каналах положительной скорости (направление “вперед”, UвыхВ)или отрицательной скорости (направление “назад”, UвыхН) осуществляется логическим узлом (на схеме не показан).

Формирование цифрового кода на выходе датчика скорости с помощью счетчика может выполняться двояко. На заданном периоде измерения Т счетчик может подсчитывать число импульсов, которое бу-

Таким образом, точность ЦДС тем выше, чем больше измеряемая скорость и период измерения.

Например, при NД,И = 600 импульсов/об, Т = 0,1 с погрешность ЦДС составит для n=1000 об/мин 60/(1000 600 0,1) = 1/1000 = 0,1 %,

а для n = 10 об/мин 1/100 = 10 %.

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 имеет, напротив, 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.

14

Комбинация рассмотренных вариантов формирования цифрового кода скорости позволяет получить высокую точность в широком диапазоне измерения скорости.

2.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Впервую очередь изучается схема лабораторного стенда, а затем проводится исследование соответствующего датчика.

Исследование датчиков осуществляется путем снятия их статических характеристик (зависимости величины выходного сигнала от входного сигнала в установившемся режиме) на лабораторном стенде.

2.1. Исследования тензодатчика

Рис. 9. Схема стенда для исследования тензодатчиков

2.1.1. Схема лабораторного стенда для исследования тензодатчиков (рис. 9) состоит из стальной упругой консоли 1, скрепленной при

15

помощи гибкой тяги со шкивом 2. Положение шкива определяет усилие, приложенное к концу консоли 1. На консоль наклеены проволочные тензоэлементы: R1, R2 с верхней стороны, а R3, R4 – с нижней стороны. Элементы соединены между собой по мостовой схеме, в одну диагональ подается питание, а к другой подключен усилитель 3. Ручкой установки нуля Rну задается смещение усилителю для установки вторичного прибора РА в нулевое положение. При помощи тумблера S2 можно изменить чувствительность тензодатчика, заменив два тензоэлемента R2 и R4 в схеме моста постоянными резисторами Rδ 1, Rδ 2. Тумблером S1 подают питание на тензодатчик.

2.1.2. Для снятия статических характеристик тензодатчиков необходимо выполнить следующее:

1. Включить тумблер S1.

2.Тумблер S2 установить в положение R2, R4.

3.Задатчик усилителя ЗУ установить в положение ″ 0″ .

4.Установить резистором Rну нуль в амперметре PА.

5.Задавая различные значения усилителя задатчиком, начиная

с0 снять значения выходного сигнала по прибору PА и занести данные входного и выходного сигнала в таблицу.

6.Переключить тумблер S2 в положение Rδ 1, Rδ 2.

7.Выполнить пп. 4,5.

2.2.Исследование индуктивного датчика.

Рис. 10. Схема стенда для исследования индуктивного датчика