Измерительные схемы с датчиками
Лекция № 4
Датчики - источники первичной информации.
Назначение и основные требования и характеристики.
При автоматизации производственных процессов предприятия угольной промышленности в системах автоматики имеются не только электрические, но и неэлектрические величины - сигналы: температура в разных частях механизмов (подшипники, приводные барабаны и т.д.) и обмоток электрических машин; линейные и угловые перемещения рабочих органов и объектов: уровни сыпучих материалов и жидкостей, давления газов и жидкостей; содержание метана и других газов в шахтной атмосфере и т. п. Эти величины, отражая состояние процессов, непрерывно меняются, во времени. Для аппаратуры автоматизации, применяется на предприятиях, характерно широкое использование измерений неэлектрических величин электрическими методами. Для этих целей применяют элементы и устройства, воспринимающие изменения физико-механических свойств входной величины контролируемого (измеряемого или регулируемого) параметра и превращают его в другой вид (электрический), Удобный для передачи и последующих преобразований. Например, разница температур превращается в э , Линейное перемещение - в изменение сопротивления и т. П. Такие элементы (устройства) называют датчиками. Составную часть конструкции датчика, непосредственно воспринимает или измеряет входную величину, называют чувствительным элементом. Характеристики и параметры датчиков в целом определяют надежность и качество работы систем автоматики в целом.
|
|
|
Датчики классифицируют по следующим признакам:
принципу преобразования энергии (энергетического режима работы) - параметрические и генераторные;
по входным параметром - датчики температуры, давления, перемещения, частоты и момента вращения, скорости, ускорения, уровня и др;
по выходным параметром - датчики активного и реактивного сопротивления, э , Амплитуды и частоты переменного тока, постоянного тока и др;
принципу действия чувствительных элементов.
Параметрическими называют датчики, преобразующие входную величину в изменения какого-либо параметра (сопротивления, индуктивности, емкости) электрической цепи или магнитной проницаемости ферромагнитных сердечников. Для получения выходного сигнала к параметрического датчика следует подвести э от внешнего источника.
Генераторными называют датчики, в которых входная контролируемая величина превращается в э Эти датчики сами служат источниками электрической энергии, вырабатываемой в результате взаимодействия с рабочей машиной или средой.
Отдельный вид составляют радиационные датчики, в которых используются явления проницаемости излучений и ионизации, люминесценции некоторых веществ под действием радиоактивного облучения.
|
|
|
В особую группу выделяют системные датчики специального назначения, имеющие, помимо чувствительного элемента, еще один или несколько элементов усиления при преобразовании исходного сигнала. Датчики, в отличие от других блоков (узлов) аппаратуры автоматизации находятся и действуют в наиболее тяжелых условиях эксплуатации.Они нередко подвергаются воздействию резких изменений температуры, высоких уровней вибрации, ударных нагрузок, агрессивных сред, высокой запыленности и влажности окружающей среды.
Датчик, прежде всего, должен иметь большую чувствительность и малый инерционность.
Чувствительностью датчика называют отношение изменения электрического параметра ΔE на выходе к изменению контролируемого неэлектрического параметра ΔN за конкретный промежуток времени k t = const = ΔE / ΔN. Чем выше чувствительность датчика, тем меньше влияние помех на точность выходного сигнала и тем проще, в случае необходимости, дальнейшее усиление.
Инерционностью датчика называют его способность выдавать сигнал на выходе с большим или меньшим опозданием при мгновенном представлении сигнала на вход.Величина инерционности работы датчика влияет на погрешность измерения или управления. Чем меньше инерционность датчиков, тем благоприятнее работа систем автоматики. Кроме высокой чувствительности и малой инерционности, к датчикам предъявляют следующие требования: однозначность зависимости между входной и выходной величинами; минимальный обратное влияние на входную величину или полное его отсутствие; стабильность параметров и характеристик во времени и при изменениях внешних условий; высокая перегрузочная способность и долговечность; устойчивость к воздействию посторонних факторов; простота устройства, малые размеры и масса; удобство монтажа, обслуживания, ремонтов, наладок.
|
|
|
Параметрические датчики
К параметрическим относят датчики активного сопротивления, индуктивные, емкостные и магнето гибкие. При этом датчики активного сопротивления делят на контактные, термо-биметаллические, реостатные, потенциометрические, тензометрические, термометры сопротивления, полупроводниковые термосопротивления и фотопоры.
Контактные датчики обеспечивают преобразование механического перемещения (линейного или углового) изменение состояния электрической цепи - ее замыкания или размыкания. Используемые при этом контакты могут быть скользящими или контактами давления. Контакты датчиков изготавливают из вольфрама, молибдена, палладия, серебра, платины, золота и их сплавов. Эти металлы и их сплавы имеют хорошую электропроводность, большую твердость и износостойкость, высокой температурой давления и малой окисляимостью. Такие датчики являются составной частью многих командоаппаратов, реле и контакторов, используемых при автоматизации шахтных машин и установок.
|
|
|
Термобиметалеви датчики в качестве чувствительного элемента имеют термобиметалеви пластинки, которые получают путем горячей прокатки двух полос различных металлов, имеющих резко отличные температурные коэффициенты линейного расширения. При нагревании такой пластинки током, протекающим по расположенному рядом нагревательному элементу (спирали), ее свободный конец, изгибаясь, влияет на электрические контакты, механическую защелку, золотник или другие средства управления.Такие датчики используют для тепловой защиты машин и электродвигателей от малых, но длительных перегрузок.
Реостатные и потенциометрические датчики в качестве чувствительного элемента имеют проволочные опоры. обеспечивают преобразование линейных или угловых перемещений в изменения активного сопротивления. Датчики в виде простого реостата имеют ограниченное применение из-за нелинейности их характеристик.
На рис. 4 показан потенциометр тороидального вида. На каркас 1 из изоляционного материала намотан провод малого диаметра с высоким удельным сопротивлением. Контакт-шетки 4, соединенной с выводным зажимом спирально пружины 3, выполненный из серебра или его сплавов. Вот 2 соединена с измерительным устройством. При повороте оси датчика изменяются сопротивления плеч спирали, розташованийнои на каркасе. Преимущества таких датчиков - простота устройства, малые размеры и масса, отсутствие необходимости усиления при измерениях. Основной недостаток - скользящий контакт, снижает надежность работы.
Принцип работы те н с о м е т р и ч ес к и х датчиков (тензодатчиков) основан на использовании зависимости омического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов от величины их упругой деформации при сжатии или растяжении. Самый тензодатчик выполнен в виде проволоки с константана, положенного петлеобразной наклеенной на полоску тонкой бумаги. Бумага с проволокой наклеивают на испытанную деталь, подвергается воздействию механических усилий. Вместе с деформацией детали деформируется проволока датчика, а пропорционально степени деформации меняется удельное сопротивление на провода, которая регистрируется измерительным прибором. Тензодатчики обычно включают в мостах схему. Они обладают высокой чувствительностью и стабильностью действия. Тензодатчики, имеющие в качестве чувствительного элемента тонкоизмельченный графит или уголь, нанесенный на изоляционную пластину с помощью связующего вещества (смолы, шеллака), называют тензолитами.
Действие термометра сопротивления основано на использовании свойства проводников изменять сопротивление при изменении температуры и теплопроводности окружающей среды. Для термосопротивления используют проволоку из чистых металлов, электрическое сопротивление которых при нагревании возрастает. Сплавы металлов для термосопротивлений не используют ввиду нарушения стабильности характеристик.
Металлический термометр сопротивления, используемый для контроля температуры (рис. 5) в качестве чувствительного элемента имеет медный провод 1 диаметром около 0,1 мм, намотанный на фарфоровый или кварцевый каркас. Трубка 2 защищает каркас с проводом от повреждений. При температуре окружающей среды 20 ° С сопротивление термометров составляет 50-100 Ом. При использовании термометров сопротивления для измерений температур возникают погрешности из-за колебаний напряжения и температуры окружающей среды, нагрев термодатчика путем протекания по нему тока, тепловая инерционность.
В полупроводниковых термосопротивлений (терморезистор, термисторах) в качестве чувствительных элементов применяют оксиды, сульфиды, нитриды или карбиды металлов (меди, никеля, марганца, кобальта, титана, урана и др.) Сопротивление терморезисторов в отличие от металлов зменьшкеться с повышением температуры, то есть они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Терморезистор по сравнению с металлическими термосопротивления имеют большую чувствительность и высокий активное сопротивление при очень малых размерах рабочей части. Это позволяет им почти мгновенно воспринимать изменения контролируемой температуры и быть практически безинерционными измерителями. Однако довольно большой разброс сопротивлений и меньше стабильность являются существенными недостатками териорезисторов. Для достижения высокой точности выходного сигнала следует избегать перегрева его рабочей части длительным током. В терморезисторы нашли применение в аппаратуре защиты обмоток электрических машин и подшипников оборудования от перегрева. Например, медно-марганцевые ММТ - 1 ÷ ММТ -9 и кобальта - марганцевые КМТ 1 ÷ КМТ -12 служат для измерения температур в диапазоне от -70 до +180 "С, а КМТ- 10 имеет герметизированный металлический корпус (баллон), обеспечивает использования в среде с относительной влажностью до 98%.
Полупроводниковые фотосопротивления, в качестве чувствительного элемента имеют светочувствительный слой, нанесенный на стеклянную пластинку. Сопротивление этого слоя обратно-пропорционален интенсивности светового потока или мощности источника освещения. Фотосопротивления имеют сравнительно высокую стабильностью, позволяют создать бесконтактные датчики. Однако их применение на угольных предприятиях ограничено наличием пыли, препятствует нормальной работе.
Принцип работы и устройство индуктивных датчиков основан на изменении индуктивности (взаимоидуктивиости) катушек, размещенных на ферромагнитных сердечниках (рис. Б). Входная величина в датчиках - горизонтальное или вертикальное перемещение якоря, а выходное - индуктивное сопротивление катушки. Принцип действие индуктивных датчиков основан на следующем:
При подаче питания с частотой 60-1000 Гц током, протекающим по катушке, создается электромагнитный поток, который разомкнут, если зазор δ между сердечником и якорем большой (рис. 6, а) или якорь расположен ниже (выше) сердечника (рис. 6.5 ). В этих случаях потокосцепления ничтожно мало или отсутствует, а соответственно, индуктивное сопротивление катушек малый и через нагрузку протекает номинальный ток. С уменьшением зазора δ до установленного предела или приближением якоря до отметки, при которой он будет находиться против сердечника, электромагнитный поток замкнется через якорь, потокосцепления резко вырастет и приведет к значительному росту индуктивного сопротивления катушек и уменьшение тока в нагрузке. Роль нагрузки обычно выполняет электромагнитное реле, которое своими контактами переключает цепи управления, контроля и защиты. К достоинствам рассмотренных индуктивных датчиков видносятся: простота устройства; надежность работы благодаря отсутствие механических связей между сердечником и якорем, закрепленному обычно на подвижном контролируемом объекте; отсутствие необходимости усиления сигнала, так как выходная мощность вполне достаточна для действия реле. К недостаткам - зависимость работы от частоты напряжения питания; сравнительно малая чувствительность; наличие тока холостого хода, который обусловлен остаточным магнетизмом и начальным зазором.
Емкостные датчики представляют собой конденсаторы различных конструкций, превращают механические линейные или угловые перемещения, а также давление, влажность или уровень среды в изменения емкости. При этом конденсаторы с переменным воздушным зазором между пластинами используют для контроля малых линейных перемещений; конденсаторы переменной рабочей площадью пластин при постоянном зазоре между ними - для контроля угловых перемещений, а конденсаторы с змиммою диэлектрической проницаемостью между пластинами, но при постоянных зазорах и рабочих площадях пластин - для контроля уровней заполнения резервуаров жидкостями или сыпучими материалами. Емкостные датчики используют только при частотах, превышает 1000 Гц, так как при промышленной частоте их емкостное сопротивление очень невелик. Датчики широко применяют в различной аппаратуре как составные части колебательных контуров, электрических фильтров и других схем. Для контроля уровней они не нашли применения из-за наличия паразитных емкостей относительно земли. Достоинство емкостных датчиков - простота устройства, малые размеры и масса, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - необходимость источника высокой частоты или усилителя при промышленной частоте и вредное воздействие паразитных емкостей.
Действие м а г н и т о в п р в г и х датчиков основано на использовании эффекта магнитной упругости, свойственного некоторым ферромагнитным металлов (например, железо - кремниевым, трансформаторных сталей) и заключается в изменении магнитной проницаемости при воздействии деформации усилий сжатия или растяжения .
Магнитоупругие датчики (рис. 7) бывают дроссельного и трансформаторного типа, причем первые могут контролировать обе деформации, а вторые - только усилия сжатия.Датчик дроссельного типа (рис. 7, а) представляет собой электромагнит переменного тока с замкнутым магнитопроводом, к сердечникам которого приложено деформирующее усилие, вызывает изменение магнитной проницаемости и магнитного потока, а следовательно, приводит к изменению электрического сопротивления катушки датчика. Для питания катушки необходимо стабилизированное напряжение, так как колебания напряжения приводит к изменению подмагничивания, магнитной проницаемости, а значит, и сопротивления катушки датчика Датчик трансформаторного типа (рис. 7, б) имеет две обмотки, размещенные в отверстиях сердечника. К первичной обмотке подводят напряжение питания переменного тока, а на второй снимают приведенную э , Значение которой определяют усилиям сжатия, приложенным к сердечнику. При отсутствии механического усилия взаемоиндуктнисть обмоток такова, что э на выходной обмотке равна нулю. Магнитопружни датчики используют для контроля усилий в широких диапазонах в различных общепромышленных установки (прессы, прокатные станы и др), а также на шахтах для контроля посадки клетей на кулаки, загрузки скипов.Достоинствами магнитопружнох датчиков является простота устройства и надежность в работе, устойчивость к воздействиям ударов, вибраций, влажной, запыленной и агрессивной среды, а недостатком - изменение свойств и характеристик с течением времени.
Генераторные датчики
В генераторных датчиках широко используют чувствительные элементы с термоэлектрическим (термопара) и пьезоелектричним (пьезоэлемент) эффектами.
Термопара (рис. 8) имеет два электрода А и Б из разнородных металлов и их сплавов (медь - константан, хромель - алюмель, вольфрам - молибден и др.) Принцип действия термопары заключается в том, что если место спая (сварка) и конце термоэлектродов с подключенным миливольтметром ТВ поместить в среды с различными температурами t1 b t2, то в цепи возникнет ЭДС пропорциональна разности этих температур. При этом место спая электродов помещается в зону контролируемой температуры t1. Термопары используют для измерения температур в широких пределах (100-2000 ° С).
Пьезоэлемент (рис. 9) состоит из монокристалла пьезоэлектрика 1 (кварц, сегнетовая соль, турмалин и т.д.) и металлических электродов 2. Под воздействием давления Р на контактирующих поверхностях кристалла появляются заряды величина которых пропорциональна давлению. При этом размеры и число пластин кристаллов выбирают из расчета прочности и необходимой величины заряда. Пьезоэлектрические датчики чаще применяют для измерений быстрых динамических процессов при ударных нагрузках, вибрациях и т. П. Индукционные датчики служат для преобразовании линейных угловых перемещений в них индуктуеться Э.Д.С. Пропорциональна скорости изменения потокосцепления.
Индукционный датчик (рис. 10) состоит из стального сердечника катушки 3 и кольцевых постоянного магнита. При линейном перемещении якоря 1 и пересечении магнитного потока в катушке индуктируется э прямо пропорциональна скорости перемещения и обратно пропорциональна зазора между сердечником и якорем.
Тахогенераторы (малогабаритные генераторы) используют в качестве датчиков, превращают контролируемую частоту вращения (угловую скорость) в э Они бывают постоянного и переменного тока.
Тахогенераторы постоянного тока выпускают с обмоткой независимого (параллельного) возбуждения (рис. 11) и с постоянными магнитами. Последние не требуют источника питания. Недостаток тахогенераторов постоянного тока - наличие коллектора и щеток, снижающих надежность работы.
Асинхронные тахогенераторы (рис. 11, б) по конструкции соответствуют двухфазным асинхронным двигателям, только их роторы выполняют в виде тонкостенного металлического цилиндра. Две обмотки статора тахогенератора смещены на 90 ° относительно друг друга. К обмотке 1 подводят напряжение питания U ~, а к обмотке 2 (измерительной) через выпрямитель или часть схемы управления подключают вольтметр. При подаче напряжения питания постоянного величины и частоты пульсирующий магнитный поток, пересекая ротор, в измерительный обмотке индуцирует ЭДС пропорциональную частоте вращения ротора, приводится в движение контролируемой машиной или механизмом. Тахогенераторы широко применяют в различных отраслях промышленности, в том числе и в угольной, например, при автоматизации электроприводов подъемных машин и экскаваторов.
Измерительные схемы с датчиками
Для измерения температуры с использованием термометров сопротивления применяют схемы (рис. 12) уравновешенных и неуравновешенных измерительных мостов. В них изменении сопротивления превращаются в соответствующие изменения тока, используемых для выдачи команд в измерительную систему или систему автоматического управления.
Уравновешенный мост. Его действие основано на нулевом методе измерений. При этом в мосту (рис. 12. А) изменением сопротивления резистора RЗ можно добиться равенства потенциалов точек А и Б и, следовательно, отсутствии тока в диагонали моста, измеряемого миллиамперметром mА с двусторонней шкалой. При отсутствии тока в диагонали можно записати.I 1 = I t ; I 2 = I 3 ; и I 1 R 1 = I 2 R 2 ; I t R t = I 3 R 3 Поделив последние равенства и учитывая предыдущие, получим R 1 / R t = R 2 / R 3 , откуда R t = R 3 R 1 / R 2 . Если шкалу резистора R 3 отградуировать в градусах, то по положению ползунка, соответствующем уравновешенном моста, можно делать отсчет температуры. Достоинство этого метода измерения температуры - его высокая точность, а недостаток - необходимость уравновешивания моста при каждом измерении.
Неуравновешенный мост. Резисторы R 1 . R 2 . R 3 этого моста (рис. 12.6) подбирают так, чтобы при начальной температуре мост находился в равновесии и стрелка прибора стояла на нуле. При изменении контролируемой температуры и соответственно сопротивления резистора R 1 равновесие моста порушится, а прибор покажет наличие тока. Если шкалу миллиамперметра mА отградуировать в градусах, то прибор будет показывать измеренное температуру. Для проверки напряжения источника питания G. которая должна быть постоянной используют эталонный резистор R 4 . который переключателем S подключается вместо термометра сопротивления R 1 . Так как при этом все опоры моста становятся постоянными, то, изменяя сопротивление резистора R5, можно установить ток первоначального значения, отмечен на шкале чертой. Недостаток этого моста - зависимость показаний миллиамперметру от напряжения источника питания и необходимость периодических пидрегулировок.
контрольные вопросы
1. Дайте определение датчика, чувствительного элемента и охарактеризуйте их роль при автоматизации.
2. Охарактеризуйте датчики по основным признакам.
3. Условия эксплуатации датчиков на угольных предприятиях?
4. Дайте определение и характеристику чувствительности и инерционности датчиков.
5. Перечислите и охарактеризуйте требования, предъявляемые к датчикам.
6. Охарактеризуйте: а) контактные и термобиметаллов датчики б) реостатные и потенциометрические датчики в) тензометрические датчики г) металлические термометры сопротивления д) полупроводниковые термосопротивления е) полупроводниковые фотосопротивления.
7. Опишите устройство и примкните действия индуктивных датчиков
8. Опишите сферу применения, преимущества и недостатки индуктивных датчиков.
9. Перечислите особенности использования, преимущества и недостатки емкостных датчиков.
10. В чем заключается сущность магиитопружних и разновидности мапттопружних датчиков?
11. Какое назначение, устройство и принцип действия датчика дроссельного типа?
12. Расскажите о назначении, устройства и принципа действия датчика трансформаторного типа.
13. Охарактеризуйте термопару и пьезоэлемент, как чувствительные элементы генераторных датчиков.
14. Опишите назначение, устройство и принцип действия а) индукционного датчика б) тахогенераторов постоянного и переменного тока.
15. Каково назначение, состав и принцип действия а) уравновешенного моста б) неуравновешенного моста.
Д / с Л.П.Поспелов «Рудничная автоматика и телемеханика» стр. 26-35
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 83; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!