ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КОНТАКТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Контактными называются измерительные преобразователи, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной входной величиной контактных преобразователей является пространственное перемещение.

 Простейший контактный преобразователь является однопредельным и имеет одну пару контактов (рис.1-а), замыкание которых происходит в функции измеряемого перемещения, например изменения размера изделия 1. При увеличении размера изделия переместится шток 2, и укрепленный на нем контактирующий элемент 3 войдет в соприкосновение с контактом 4. При этом активное сопротивление между контактами 3 и 4 изменится от бесконечности до малой величины, определяемой значением контактного сопротивления.

При контроле размеров чаще всего используютсядвухпредельные контактные преобразователи с двумя парами контактов (рис.1-б). Встречаются конструкции многопредельных преобразователей с несколькими парами контактов (рис.1-в); контакты могут быть расположены как с обеих сторон контактирующего элемента, так и с одной его стороны.

Контактные преобразователи могут работать либо на замыкание (или размыкание) всей цепи, либо на замыкание (размыкание) участка цепи (рис.1- г).

Рис.1 Основные типы контактных преобразователей

Конструктивно измерительный шток закрепляют на плоских пружинах (рис.2-а) или помещают в цилиндрические направляющие (рис.2-б). С точки зрения точности работы преобразователя оба способа закрепления щитка равноценны, однако при применении цилиндрических направляющих требуется защита от загрязнения и создание дополнительного устройства, предотвращающего поворот щитка.

Рис.2 Способы крепления штока контактного преобразователя

Для повышения чувствительности преобразователя и облегчения настройки неподвижных контактов часто применяют рычажную передачу, увеличивающую перемещение контактирующего элемента по сравнению с перемещением штока преобразователя. Крепление рычага целесообразнее всего осуществлять на крестообразно расположенных плоских пружинах (рис.2-б). При таком креплении отсутствует сухое трение. Ось вращения рычага проходит по линии пересечения пружин.

Контакты в преобразователях обычно имеют сферическую поверхность (часто один из контактов – плоский). У подобных контактов контактная точка образуется близко к центральной точке сферической поверхности контакта и по мере износа превращается в небольшую площадку круглой формы.

Контакты являются наиболее ответственной частью преобразователя. Материал, конструкция и выполнение контактов, а также режим их работы, определяют как точность, так и надежность и стабильность работы преобразователя во времени.

Особенно опасен для контактов такой режим работы, при котором между контактами возникает электрическая дуга. Дуга может появиться при размыкании контактов или пробое (при их сближении), если ток и напряжение между контактами больше некоторых значений I₀ и U₀, определенных для каждого из контактных материалов. Например, для серебра и меди значения I₀ и U₀ равны примерно 0.4А и 13В соответственно, для платины и вольфрама 0.9А и 17В, а для сплава платины и иридия 0.74А и 20В. Если ток между контактами меньше тока I₀, то возникает искра. Для уменьшения мощности искры или дуги применяют цепи искропогашения, например, шунтируют контактный промежуток цепью из последовательно соединенных конденсатора и активного сопротивления (рис. 1-а).

В результате образования дуги (или искры) между контактами происходит износ контактов (эрозия). Однако эрозия возможна и при отсутствии дуги или искры. При весьма малых расстояниях между контактами (меньших длины свободного пробега электрона) между ними создается электрическое поле значительного градиента (при напряжении 10В и расстоянии между контактами 1мкм градиент поля равен 10000В/мм). Электроны, вырываемые из «катода» этим полем, бомбардируют «анод», разрыхляют его, вследствие чего ионы анода переносятся на катод; на катоде образуется выступ, а на аноде – углубление. При медленном размыкании контактов наблюдается возникновение металлических мостиков из материала анода.  

Разрушение контактной поверхности может произойти также вследствие коррозии, т.е. образования оксидных, сульфидных и других пленок на контактах. В частности, образованию коррозии способствуют химические реагенты, выделяющиеся из некоторых изоляционных материалов. Так, при применении в конструкции преобразователя деталей из резины и эбонита, содержащих серу и сернистые соединения, происходит коррозия серебряных контактов. При применении деталей из текстолита и гетинакса, содержащих свободный фенол, возникает коррозия контактов из вольфрама. Поэтому следует критически относиться к выбору изоляционных материалов, используемых в преобразователе, отдавая предпочтение керамике.

Уменьшения влияния эрозии можно добиться соответствующим выбором материала контактов, расстояния между ними и электрических параметров цепи, замыкаемой контактами.        

ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Во избежание образования дуги или искры мощность, разрываемой контактами, не должна превосходить 100-150 мВт. Поэтому при применении в качестве сигнального, измерительного или исполнительного элемента устройств, потребляющих мощность меньше 100-150 мВт, их можно включать непосредственно в цепь контактов преобразователя. Если же эти элементы потребляют большую мощность, то их включают через усилители (релейные, полупроводниковые, ламповые и др.).

  В качестве примера электрической цепи,  в которой сигнальный элемент включен непосредственно в цепь контактов преобразователя, на рис.3-а приведена цепь прибора для разбраковки изделий на три группы:

годен, брак+, брак-. Как сигнальные использованы неоновые лампы, потребляющие мощность порядка 80-150 мВт (1-1.5мА при 80 –100 В). Ключом К замыкают измерительную цепь после того, как изделия установлено, непосредственно перед измерением.

В качестве примера включения исполнительного элемента (электромагнита) с усилителем на рис. 3-б показана цепь сортирующего автомата с ламповыми усилителями, питаемыми переменным током. При контроле годных деталей обе лампы отперты и оба электромагнита, катушки которых P1, P2 включены в анодные цепи ламп, возбуждены. При наличии брака, то есть при замыкании одного из контактов, соответствующая лампа запирается и электромагнит отпускает свой якорь, производя отбраковку деталей. Питание цепи контактов осуществляется через ключ К, работающий от кулачка, расположенного на распределительном валу автомата. При необходимости получения значительной мощности в электромагните разбраковочного автомата используются усилители на тиратронах.

Рис.3 Примеры электрических цепей с контактными преобразователями

II. Реостатные преобразователи

2.1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной – сопротивление.

На рис. 4 показано устройство реостатного преобразователя.

 На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Рис. 4 Устройство реостатного преобразователя

Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего используется провод из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью; применяется также манганин, константан, фехраль. Микропровод позволяет выполнять миниатюрные преобразователи, имеющие габариты до 5х5 мм.

Каркас выполняется из керамических материалов, пластмассы, гетинакса, металлов (алюминий, дюраль), покрытых слоем лака или оксидной изоляцией. Каркас должен обладать большой теплоотдачей.

Обмотку выполняют из эмалированного или оксидированного провода с последующим покрытием лаком. Следует выбирать материалы проволоки и каркаса так, чтобы их температурные коэффициенты расширения отличались бы незначительно. В противном случае изменение температуры преобразователя может привести к распусканию обмотки или к появлению недопустимых напряжений.

Токосъемные щетки выполняют в виде проволок или лент из бронзы, платиноиридиевого сплава и других упругих материалов или в виде ролика. Последний ставят с некоторым перекосом для обеспечения небольшого скользящего трения и зачистки контактной дорожки.

В жидкостных реостатах подвижным элементом является ртуть.

2. 2 КЛАССИФИКАЦИЯ РЕОСТАТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ ОСОБЕННОСТЯМ

Существует большое разнообразие конструкций реостатных преобразователей перемещения. Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные отличаются высокой точностью преобразования и стабильностью функции преобразования. Их недостатки – низкая разрешающая способность, невысокое сопротивление (до десятков килоом). Указанные недостатки отсутствуют у непроволочных преобразователей, однако они значительно уступают проволочным по точностным характеристикам. Реостатные преобразователи делятся также на преобразователи с линейным и вращательным перемещением подвижного элемента.

Наиболее распространенными являются следующие конструкции реостатных преобразователей перемещения:

Многообходный преобразователь (рис. 5-а) состоит из кольцевого каркаса,

на который равномерно намотана обмотка. При вращении подвижного

контакта сопротивление возрастает от нуля до максимальной величины

(рис. 5-б). При прохождении контакта вне зоны обмотки сигнал отсутствует.

а)                                                  б)

                                              зона нечувствительности

Рис. 5 Многообходный реостатный преобразователь:

а) конструкция ; б) характеристика

Многооборотный преобразователь (рис. 6) обладает расширенным

диапазоном входных величин, достигающим 25-40 оборотов. На

алюминиевый спиралевидный каркас наматывается проволочная обмотка.

Щетка, совершая вращательное и поступательное движения, скользит по

поверхности провода. При равномерной намотке провода статическая  

характеристика преобразователя имеет линейный характер.

      щетка

Рис. 6 Многооборотный реостатный преобразователь

Функциональный преобразователь (рис. 7) обеспечивает реализацию 

функциональной статической характеристики. Функциональные

преобразователи могут иметь профилированную высоту каркаса (рис. 7-а)

при постоянной ширине, либо они состоят из ряда сопротивлений (рис. 7-б).

шунтируемых при замыкании контактов подвижным контактом.

б)

Рис.7 Функциональные преобразователи:

а) с переменной высотой каркаса; б) с шунтированными сопротивлениями

 Выбирая форму каркаса, можно получить определенную функциональную зависимость между перемещением и выходным сопротивлением. Выходное сопротивление реостатного преобразователя, периметр каркаса p и входное перемещение x связаны между собой зависимостью:

               (1)                     

r - сопротивление 1м провода

w₀ - число витков на единицу длины преобразователя

Из заданной зависимости  R= j(x) можно определить зависимость R= f(x)

2.3 ФУНКЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

При перемещении подвижного элемента изменяется сопротивление преобразователя. Выходного сигнал преобразователя можно получать в виде напряжения или тока, как показано на рис.8

 а) реостатный преобразователь            б) реостатный преобразователь

 перемещения в напряжение                       перемещения в ток

Рис. 8 Реостатные преобразователи перемещения

Статические характеристики реостатных преобразователей имеют следующий вид:

      (2)

           (3)

           (4)

где:

R_S  - полное сопротивление реостата

R_ab – сопротивление реостата, соответствующее перемещению движка на расстояние ab

W – число витков обмотки (обычно W составляет 100-200, а в прецизионных преобразователях – десятки тысяч)

d – диаметр провода обмотки

r - удельное сопротивление провода

h и s - высота и ширина каркаса

Xmax – максимально возможное перемещение подвижной части

Uсети - напряжение сети

На рис.9 показан вид статических характеристик реостатных преобразователей перемещения, а на рис. 10 приведены их структурные схемы.

а)                                                      б)                                                                    в)

Рис. 9 Статические характеристики реостатных преобразователей

перемещения:

а) с выходным сопротивлением 

б) с выходным напряжением

в) с выходной величиной тока 

а)

                 X                           

б)

 в)

Рис. 10 Структурные схемы реостатных преобразователей:

а) перемещения в сопротивление

б) перемещения в напряжение

в) перемещения в ток

2.4 ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Согласно формулам (2-4) чувствительность преобразователей можно увеличить за счет увеличения W, увеличения h и d, уменьшения d, использования проводов обмоток с большим удельным сопротивлением r.

Реостатные преобразователи аналогично контактным являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению входной величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления.

Реальная статическая характеристика реостатных преобразователей имеет ступенчатый характер (рис.11). И поэтому при увеличении габаритов h и d происходит увеличение погрешности из-за ухудшения разрешающей способности, т.е. минимального значения входной величины, изменение которой вызывает изменение входной величины. Это обстоятельство вызывает погрешность квантования, уменьшающуюся при увеличении числа витков W преобразователя (при уменьшении диаметра обмотки d).При уменьшении диаметра провода обмотки d одновременно улучшается разрешающая способность преобразователя (рис.11-б), ступени при этом не заметны. Отсюда следует, что основные пути увеличения чувствительности:

уменьшение d и увеличение r.

а)                                                                    б)

 Рис. 11. Ступенчатые характеристики преобразователей:

а) с большим диаметром провода; б) с малым диаметром провода

2.5 ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Источники основной погрешности:

- загрязнение контактной пары щетка-провод и ее окисление;

- стирание контактной поверхности;

- гистерезис щетки преобразователя вследствие нежесткого ее крепления;

- температура внутреннего нагрева.

Источники дополнительной погрешности:

1) погрешность квантования (5)

2)  влияние внешних магнитных полей на преобразователи с выходным током и напряжением, заключающееся в наведении дополнительной ЭДС в обмотке;

3) колебание частоты питающей сети;

4) колебание напряжения U_сети;

5) влажность воздуха;

6) изменение величины контактного сопротивления при изменении скорости перемещения подвижной части, которое может достигать значительных величин;

7) вибрация, которую уменьшают путем выполнения волосков щетки разной длины (это приводит к различным собственным частотам колебаний).

8) влияние внешней температуры на размеры h, d, d и удельное сопротивление r;

Суммарная погрешность, вызванная непостоянством параметров преобразователей составляет 0,05-0,1%. Температурная погрешность обычно не превышает 0,1% на 10 градусов.

Мы поможем в написании ваших работ!