Порядок выполнения работы по определению статических и динамических характеристик объекта

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные технологии по добыче и переработке руд полезных ископаемых и минерального сырья немыслимы без широкого внедрения средств и систем автоматического управления. Поэтому в учебные планы практически всех “неавтоматических” специальностей в том или ином виде включены дисциплины по изучению современных технических средств и систем управления.

Учитывая незначительный объем часов по теоретическим курсам дисциплин для указанных специальностей, кафедра автоматики и компьютерных технологий предложила комплекс лабораторных работ с дополнительным изложением общетеоретического материала и практическую часть для выполнения экспериментов по каждой теме. Это позволяет более глубоко понять и разобраться в принципах действия как отдельных элементов систем (измерительных преобразователей, вторичных приборов, регуляторов, микропроцессорных контроллеров и исполнительных устройств), так и систем автоматического управления в целом.

Изучение этих лабораторных работ способствует привитию практических навыков по обслуживанию указанных технических средств, поднимает в целом на более высокий уровень квалификацию специалистов и показывает достигнутый технический прогресс в конкретной отрасли производства.

Авторы с благодарностью примут конструктивные замечания и предложения по совершенствованию учебно-методического пособия.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время трудно представить себе технологический процесс или производство где не применялись бы средства автоматизации или современные автоматизированные системы управления.

Автоматические и автоматизированные системы используют в своей структуре большое количество отдельных элементов (от измерительных преобразователей физических величин до ЭВМ), выполняющих различные функции в указанных системах.

Назначение различных элементов, их роль в системах автоматизации определена выполняемыми функциями, принципами действия и т. д.

Изучение современных элементов систем автоматического управления: датчиков, измерительных приборов, регуляторов, микропроцессорных контроллеров и др. помогает лучше понять принципы работы систем и легко ориентироваться в показаниях средств измерений при обслуживании технологических процессов.

Современная элементная база технических средств автоматизации сокращает номенклатуру средств и существенно расширяет их функции.

Специалисты в области обработки информации, технологи, механики и др. должны знать и понимать, как получают информацию, в каком виде ее представляют, обрабатывают, передают и хранят. Эти знания помогают правильно оценивать ход технологических процессов, анализировать суть происходящих в процессе явлений и в конечном итоге принимать верные решения по управлению производством.

Приведенные в учебно-методическом пособии лабораторные работы будут способствовать пониманию роли технических средств автоматизации при их грамотной эксплуатации и надлежащем обслуживании.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

Экспериментальное опред еле ние статических и динамических характеристик объектов регулирования

Общие сведения

Любое технологическое оборудование (установка, агрегат), в котором реализуется тот или иной технологический процесс, в автоматике называют, объектом регулирования (ОР). Например, дробилка конусная среднего или мелкого дробления, в ней реализуется технологический процесс дробления; флотационная машина камерного типа пневмо-механическая, в ней реализуется процесс флотационного обогащения; смесительная емкость, где осуществляют перемешивание пульпообразных продуктов с реагентами; накопительная емкость с сыпучим материалом (бункера) и т. д.

С точки зрения теории автоматического управления каждый объект регулирования имеет входные и выходные воздействия.

Входные воздействия, в свою очередь, подразделяются на входные управляющие и входные возмущающие воздействия. Кроме того, часто в качестве входных воздействий рассматривают помехи.

Входные управляющие воздействия – это воздействия, которые могут быть оперативно целенаправленно изменены и которые влияют на выходные величины объекта.

Входные возмущающие воздействия – это воздействия, которые изменяются случайным образом во времени, влияют на выходные показатели. Возмущающие воздействия в лучшем случае могут быть автоматически измерены, но не могут быть целенаправленно изменены по нашему желанию.

Помехи – это входные воздействия, изменяющиеся случайным образом во времени и влияющие на выходные показатели, которые не могут быть ни измерены, ни автоматически изменены для получения требуемых выходных показателей.

В качестве выходных воздействий, как правило, рассматривают технологические показатели, характеризующие качество продукции, состояние агрегата или оборудования.

В теории автоматического управления для изображения объекта регулирования, как и любого другого элемента системы, используют прямоугольник произвольного размера и линии связи (рис. 1).

Рис. 1. Характеристика входных и выходных воздействий объекта регулирования

В каждом объекте регулирования выделяют каналы регулирования и каналы передачи возмущающих воздействий.

Канал регулирования – это связь какого-либо выходного показателя y_J с входным регулирующим воздействием x_i.

По любому каналу регулирования объект характеризуют статическими и динамическими характеристиками.

Статической характеристикой объекта по какому-либо из каналов регулирования называют зависимость выходной величины y_J от входной x_i в установившемся режиме.

Динамические характеристики объекта могут быть представлены:

1) в виде дифференциального уравнения;

2) передаточной функции;

3) кривой разгона;

4) импульсной переходной функции;

5) амплитудно-фазных частотных характеристик.

Первые два способа задания, т. н. аналитические способы задания, возможны, когда известны законы, явления, в соответствии с которыми функционирует объект и, таким образом, может быть получено его математическое описание.

Следующие характеристики объектов получают экспериментальным путем.

Динамические характеристики необходимы для определения динамических параметров объектов регулирования.

1.2. Экспериментальные методы определения динамических характеристик

Как отмечалось ранее, динамическая характеристика в виде кривой разгона может быть получена экспериментальным путем.

Кривая разгона объекта представляет собой изменяющуюся во времени выходную величину при скачкообразном (ступенчатом) изменении входной величины (рис. 2).

В зависимости от вида кривой разгона объекта их подразделяют на статические объекты и астатические объекты.

Рис. 2. Кривые разгона статического объекта а и астатического объекта б

Статическим объектом называют объект, который обладает свойством самовыравнивания по рассматриваемому каналу регулирования.

Свойство самовыравнивания объекта – это свойство объекта переходить из одного устойчивого состояния в другое при подаче на его вход ступенчатого воздействия без помощи автоматического регулятора (рис. 3, а).

У астатических объектов свойство самовыравнивания отсутствует. У таких объектов считают переходный процесс закончившимся при подаче на вход объекта ступенчатого воздействия, когда наступает постоянная скорость изменения выходной величины (рис. 3, б).

Рис. 3. Кривые разгона статического объекта а и астатического объекта б

По кривым разгона объектов регулирования определяют динамические параметры объектов:

1) запаздывание (τ _о);

2) постоянная времени (Т_о);

3) передаточный коэффициент (k_о).

Запаздывание ( τ _о ) – это свойство объекта, заключающееся в том, что реакция по изменению выходной величины объекта при ступенчатом изменении входной величины отстает от него на некоторое время.

Постоянная времени ( Т _о ) – это время, характеризующее инерционные свойства объекта по рассматриваемому каналу регулирования.

Передаточный коэффициент ( k _о) – характеризует передаточные свойства объекта по рассматриваемому каналу регулирования.

Указанные динамические параметры τ _о, Т_о, k_о определяются по инженерной методике графо-аналитическим методом, заключающимся в том, что к кривой разгона статического объекта (рис. 3, а) проводят касательную в точке максимального перегиба кривой до ее пересечения с линией прежнего установившегося значения (точка А) и линией нового установившегося значения (точка В).

Промежуток времени от момента подачи ступенчатого воздействия до точки А является запаздыванием (τ _о).

Промежуток времени между точками А и В определяет величину постоянной времени.

Передаточный коэффициент определяют по формуле:

K_O= [ y(∞ ) - y(0) ] / Δ х,

где y(∞ ), y(0) – новое и прежнее соответственно установившиеся значения;

Δ х – величина ступенчатого входного воздействия.

Передаточный коэффициент k_о всегда имеет размерность.

Для астатических объектов определяют условные значения запаздывания τ _о и постоянной времени Т_о, которые определяются по инженерной методике (рис. 3, б) и по формуле:

Т_о = tg α.

Содержание отчета

В отчете должен быть помещен весь полученный экспериментальным путем материал, построенные статические и динамические характеристики исследуемого объекта.

По динамическим характеристикам объекта определить его динамические параметры (k_о, τ _о, Т_о) и сделать необходимые выводы о свойствах изучаемого объекта.

1.5. Контрольные вопросы

1. Что такое статическая характеристика вообще и что является статической характеристикой исследуемого объекта?

2. В какой форме могут быть получены динамические характеристики экспериментальным путем?

3. Что такое кривая разгона объекта?

4. Что такое импульсная характеристика объекта?

5. Что характеризует запаздывание в объекте?

6. Какое свойство объекта характеризует постоянная времени объекта?

7. Как графически по кривой разгона можно определить k_о, τ _о, Т_о?

8. В каких случаях на объекте снимают экспериментальным путем кривую разгона, а в каком - импульсную переходную характеристику?

9. Что такое самовыравнивание объекта?

10. Что такое статический и астатический объекты?

11. Какой должна быть величина ступенчатого воздействия на входе объекта при экспериментальном определении динамической характеристики?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

Общие сведения о системах

В общем случае система автоматического регулирования (САР) предназначена для автоматического поддержания какого-либо параметра технологического процесса на заданном уровне или его изменения по какой-либо заданной программе. Например, необходимо поддерживать уровень жидкости в технологической емкости на заданном значении независимо от ее расхода, поддерживать температуру в топке сушильного барабана, для обеспечения требуемой влажности концентрата и т. д.

Технологический процесс или технологическое оборудование, в котором (или с помощью которого) реализуется тот или иной технологический процесс, называют объектом регулирования (рис. 1).

Рис. 1. К пояснению понятия объекта регулирования:

где y₁…y_i – входные регулирующие воздействия;

z₁…z_j – входные возмущающие воздействия;

f(t) – функция помех;

x₁…x_k – выходные показатели объекта регулирования

Технологические параметры, характеризующие состояние объекта или особенности протекания процесса, называют выходными регулируемыми параметрами объекта или выходными регулируемыми показателями. Физическая величина, с помощью которой регулируют (воздействуют) процесс, состояние технологического оборудования, с целью поддержания регулируемой величины на заданном уровне, или изменение по заданному закону, называют входными регулирующими воздействия (входными величинами).

В качестве регулирующего воздействия обычно рассматривают расходы вещества или энергии в объект. Входное регулирующее воздействие может изменяться системой регулирования оперативно и целенаправленно.

Связь между выходной регулируемой величиной и входным регулирующим воздействием называют каналом регулирования.

На объект всегда действуют другие входные воздействия, которые меняются случайным образом во времени, и которые не могут быть изменены оперативно по нашему желанию. Они в лучшем случае могут быть только измерены. Эти входные воздействия называют входными возмущающими воздействиями.

Кроме того, в качестве входных воздействий часто рассматривают входную функцию помех. Это тоже возмущающие воздействия, изменяющиеся случайным образом во времени, влияющие на выходные показатели, но которые не могут быть проконтролированы оперативно и тем более оперативно изменены.

Для того чтобы автоматическая система регулирования могла работать, она должна получать информацию о значении регулируемой величины. Эту информацию система получает от технического устройства, которое называют датчиком.

Датчик – это устройство, которое воспринимает измеряемую физическую величину и преобразует ее в сигнал (как правило, электрический или пневматический), удобный для передачи и обработки в системе регулирования.

Так, для измерения температуры служат датчики температуры (термосопротивления, термопары, пирометры); для измерения уровня жидких и сыпучих сред служат различные датчики уровня (поплавковые, ультразвуковые, радарные и т. д.); для измерения расхода жидких и газообразных сред служат различные датчики расхода (электромагнитные, ультразвуковые, радиоактивные) и другие.

Выходные сигналы датчиков – унифицированные токовые сигналы 0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА, или сигналы напряжения.

Сигнал с датчика в системе автоматического регулирования поступает на вторичный прибор, который показывает измеренные значения регулируемой величины, и записывает его на диаграммной ленте (или диаграммном диске).

Вторичные измерительные приборы могут иметь и другие функциональные возможности. Они, например, могут сигнализировать предельные значения измеренной величины и иметь специальные преобразователи для передачи сигнала “далее”, на последующие элементы автоматической системы.

Сигнал, пропорциональный текущему значению измеренной величины, с преобразователя вторичного прибора поступает на элемент сравнения автоматического устройства, которое называют автоматическим регулятором. На вход элемента сравнения подается также сигнал, пропорциональный заданному значению регулируемой величины. Этот сигнал подается от устройства автоматического регулятора, которое называется задатчиком.

Если сигнал, пропорциональный текущему значению измеренной величины, не равен сигналу, поступающему от задатчика, то на вход устройства формирования выходного сигнала автоматического регулятора поступает сигнал, который называют сигналом рассогласования.

Устройство формирования выходного сигнала регулятора, в зависимости от функциональной зависимости, заложенной в него, формирует управляющее (регулирующее) воздействие.

Функциональная связь, по которой формируется выходной сигнал регулятора, называется законом регулирования.

Различают три типовых закона регулирования:

1) П (пропорциональный) y = k · x;

2) ПИ (пропорционально-интегральный) ;

3) ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный)

где y – регулирующее воздействие;

k – коэффициент передачи регулятора;

x – рассогласование;

– время интегрирования;

– время дифференцирования (время предварения).

Выработанное регулятором регулирующее воздействие поступает на исполнительный механизм (ИМ), который соединен с устройством, предназначенным для изменения потока вещества или энергии в объект регулирования. Это устройство называется регулирующим органом (РО). В качестве регулирующих органов в системах автоматического регулирования могут быть:

1) регулирующие шиберы;

2) регулирующие клапаны;

3) регулирующие заслонки;

4) дозаторы;

5) питатели и т.д.

Структурные элементы автоматических систем регулирования изображают в виде прямоугольников произвольного (но одинакового) размера.

Графическое изображение автоматической системы регулирования в виде прямоугольников, соединенных линиями связи. называют структурной схемой системы (рис. 2). На линиях связи указывают вид и форму сигнала, а внутри прямоугольников вписывают наименования структурных элементов системы или их тип. Структурная схема системы автоматического регулирования дает самое общее представление о принципе работы той или иной конкретной системы.

Так, например, изображенная на рис. 2 система регулирования уровня реагентов в емкости (выходной показатель h_р) измеряется с помощью ультразвукового измерительного преобразователя (датчик типа PROBE), токовый сигнал с которого (4 - 20 мА), пропорциональный текущему значению измеряемого уровня, поступает на вторичный измерительный прибор (типа Диск-250) записывающий и показывающий. Токовый сигнал с выходного устройства вторичного прибора поступает на вход автоматического регулятора системы “Контур-2” РС-29, где он сравнивается с токовым сигналом задатчика, пропорционального желаемому значению регулируемой величины.

Рис. 2. Структурная схема системы автоматического регулирования уровня

Автоматический регулятор РС-29 в соответствии с реализуемым им ПИ-законом регулирования вырабатывает управляющее воздействие y.

Регулятор с помощью магнитного пускателя (на структурной схеме не показан) управляет положением вала исполнительного механизма (ИМ механизмом электрическим однооборотным типа МЭО-1, 6/40).

Выходной шток ИМ через элементы кинематической связи соединяется с регулирующим клапаном, выполняющим функции регулирующего органа РО, изменяя таким образом расход реагента в емкость, для поддержания заданного уровня реагента при меняющемся расходе.

Расход реагента Q(t) в рассмотренной системе является основным возмущающим воздействием.

Помехами в рассматриваемой системе является зарастание реагентами трубопроводов, подающих реагент в емкость и идущих к потребителю.

Таким образом, возможно поддерживать заданный уровень в емкости, обеспечивая высокое качество дозирования реагента.

Значения выходных сигналов

Обозначение	Наименование выходного сигнала регулятора	Номинальный диапазон изменения сигнала	Параметры нагрузки, Ом	Примечание
ε	Сигнал рассогласования (отключения)	0 – 10 В	≥ 10₄
U_ПИТ	Питание для внешнего задатчика, ЗД	+10 В -10 В		Внутреннее сопротивление источников 2, 21·10³ Ом
Z_I	Выход регулирующего устройства трехпроводный	0÷ 24 В	≥ 100, инд. Сост. Нелимитируется	При подключении нагрузки с внутренним источником питания
Z₂	Выход регулирующего устройства двухпроводный	0; ±10В	≥ 4·10⁴	Сигнал для связи между приборами
Z₃	Выходы сигнализаторов предельных отклонений	Изменение состояния электронных ключей	> 300	Срабатывание при ε > β _В U_ОП
Z₄	Выходы сигнализаторов предельных отклонений			Срабатывание при ε > - β _Н U_ОП

На рис. 5 приведена схема подключения регулятора РС-29, где указаны отмеченные в табл. 1 и 2 входные и выходные сигналы.

Рис. 5. Схема подключения регулятора РС-29

Регулятор позволяет осуществить работу в двух режимах: ручном и автоматическом.

Для работы регулятора в ручном режиме управления переключатель рода работы (см. рис. 4) установить в положение “Р”, переключателем “больше-меньше” перемещают вал ИМ в нужное положение.

Для работы в режиме автоматического управления переключатель рода работы должен стоять в положении “А”. За состоянием вала ИМ можно следить по встроенному дистанционному указателю положения ДУП, а за величиной рассогласования – по индикатору рассогласования.

При использовании ПИ-закона регулирования параметрами динамической настройки регулятора являются:

α _п – передаточный коэффициент, который устанавливается ручкой

потенциометра α _п, расположенной на панели настройки;

τ _и– время изодрома; когда переключатель диапазонов стоит в х1, то τ _иможет

изменяться от 0-50 с, если переключатель диапазонов стоит х10, то τ _и

может быть изменено в диапазоне 0-500 с.

Параметрами статической настройки регулятора являются:

τ _ДФ – коэффициент демпфирования;

α ₁ и α ₂ – коэффициенты масштабирования, для изменения величины масштабных коэффициентов передачи входного сигнала;

К – корректор (широкодиапазонный задатчик), позволяющий сбалансировать прибор при любом заданном значении сигнала;

Δ – зона нечувствительности, для изменения зоны нечувствительности;

ε – рассогласование, для контроля рассогласования.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со структурой системы автоматического регулирования, с отдельными элементами и их функциональным назначением.

2. Получить задание от преподавателя о значении температуры в объекте, поддерживаемой системой, и значении настроечных параметров α _п, τ _и.

3. Включить стенд.

4. Переключатель рода работы регулятора перевести в положение “Р”.

5. Ключом “б-м” перемещать РО (подвижный контакт ЛАТРа) до максимального значения напряжения.

6. За изменением температуры в объекте наблюдать по вторичному прибору КСП-2. При ее подходе к заданному значению переключатель рода работы регулятора перевести в положение “А” (для облегчения входа системы в режим автоматического регулирования).

7. По записи на диаграммной ленте вторичного прибора наблюдать в течение 5 минут за характером изменения температуры в объекте при открытой заслонке.

8. Ввести возмущающее воздействие в систему, закрыв заслонку в объекте регулирования. Наблюдать характер переходного процесса в системе. После возвращения температуры к прежнему (заданному) значению, определить к какому типовому процессу регулирования принадлежит полученный переходный процесс: апериодическому процессу, процессу с 20 % перерегулированием, процессу с минимумом интегральной площади отклонения регулируемой величины.

9. Изменить задание системе в сторону уменьшения или увеличения температуры (по заданию преподавателя). Определить характер переходного процесса по заданию.

10. По полученным переходным процессам определить прямые показатели качества работы системы:

t_р – время регулирования;

σ – перерегулирование;

х_д – максимальное допустимое динамическое отклонение.

11. По работе сделать выводы.

2.5. Контрольные вопросы

1. Что такое объект регулирования? Что он представляет собой в рассматриваемой системе? Назвать основные элементы системы и выполняемые ими функции.

2. Каково назначение изучаемой САР?

3. Что такое входные сигналы регулятора и их характеристика?

4. Что такое выходные сигналы регулятора и их характеристика?

5. Назовите динамические настройки регулятора и как они устанавливаются?

6. Что такое типовой процесс регулирования, виды типовых переходных процессов регулирования и их характеристика?

7. Что такое прямые показатели качества работы АСР?

8. Что такое структурная схема системы автоматического регулирования?

9. Дать классификацию и характеристику входных и выходных воздействий объекта регулирования.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3

Общие сведения

Общепромышленные датчики – это датчики (измерительные преобразователи) не специального, узко специализированного назначения, а датчики широкого применения во многих отраслях промышленного производства. Это датчики, предназначенные для измерения физических величин, которые характеризуют протекание технологических процессов, либо состояние технологического оборудования во многих производствах. К таким физическим величинам относятся, например, температура, перемещение, усилие и др. Следовательно, будем называть датчиками общепромышленного применения датчики температуры, датчики перемещения, датчики усилий и др.

Широкое распространение в практике автоматических измерений получили общепромышленные (не специальные) датчики для измерения температур, перемещений, скоростей, ускорений (это могут быть, например, параметры вибрации работающих машин и агрегатов). Это может быть также такая физическая величина, как усилие (сила), под действием которого прогибается консольная балка, всевозможные опоры и т. д.

В качестве примера в работе мы рассмотрим подробнее датчики температуры (термопары, термосопротивления), электромагнитные датчики и тензорезисторные датчики. Однако следует помнить, что указанными типами датчиков не ограничивается перечень средств, предназначенных для измерения температуры, перемещений, скоростей, ускорений, усилий. Для этих целей могут быть использованы и другие типы датчиков, например, пьезоэлектрические датчики перемещений, усилий, индукционные датчики скорости, пирометры для бесконтактного измерения высоких температур и др.

В практике автоматических измерений в условиях горного производства рассматриваемые далее общепромышленные датчики находят широкое применение.

Электромагнитные датчики

По принципу действия электромагнитные датчики подразделяют:

1) на индуктивные;

2) взаимоиндуктивные;

3) магнитоупругие.

Электромагнитные датчики используются для измерения величин перемещений (линейных и угловых), усилий, давлений, скоростей и др. Электромагнитные датчики, в которых измеряемая физическая величина, например, перемещение, преобразуется в изменение индуктивности L электрической цепи, называются индуктивными (рис. 5, а).

В технике используются также датчики, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в изменение взаимной индуктивности М. Такие датчики называют взаимно-индуктивными, или трансформаторными (рис. 5, б).

Рис. 5. Примеры электромагнитных датчиков:

а - индуктивный с переменным воздушным зазором δ;

б - взаимноиндуктивный;

в - магнитоупругий

Для перемещения подвижного якоря индуктивных и взаимоиндуктивных датчиков необходимо прилагать определенные усилия для преодоления электромагнитных сил притяжения (нежелательных), действующих на якорь со стороны неподвижного сердечника (электромагнита).

Конструкция таких датчиков определяется диапазоном измеряемого перемещения. Габаритные размеры датчиков выбирают исходя из необходимой мощности выходного сигнала.

Для измерения выходного сигнала датчиков наибольшее применение получили мостовые (равновесные и неравновесные) схемы, а также компенсационная (в автоматических приборах) схема для дифференциально-трансформаторных датчиков.

Взаимноиндуктивные датчики позволяют за счет изменения соотношения количества витков обмоток w₁ и w₂ получать на выходе необходимый диапазон изменения выходного сигнала.

Индуктивный датчик (рис. 5, а) с переменным воздушным зазором имеет обмотку w, намотанную на неподвижный сердечник из электротехнической стали. Магнитный поток Ф в сердечнике замыкается через якорь, который перемещается относительно неподвижного сердечника, изменяя тем самым воздушный зазор δ на пути магнитного потока. Якорь механически связан с деталью (элементом), перемещение Х которой требуется измерить.

Индуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе:

L = ,

где w – число витков обмотки;

R_m – полное магнитное сопротивление магнитопровода (R_m = R_ст + R_в);

R_ст – магнитное сопротивление стали;

R_в – магнитное сопротивление воздушного зазора.

Учитывая, что при некоторых условиях R_ст < < R_в, можно записать:

L ≈ .

Учитывая, что R_в = , можно записать:

L = ,

где δ – длина воздушного зазора;

S – площадь поперечного сечения воздушного зазора;

μ ₀ – магнитная постоянная.

Индуктивный датчик с переменной длиной воздушного зазора δ характеризуется, таким образом, нелинейной зависимостью L = f(δ ) (рис. 6, а). Такие датчики обычно применяют при перемещениях якоря на 0, 01-5 мм.

Ток в цепи катушки индуктивного датчика определяется выражением:

I ≈ ,

где u, ω – напряжение и частота питания датчика.

Видно, что ток в цепи на выходе датчика прямо пропорционален длине воздушного зазора, а следовательно, измеряемой неэлектрической величине – перемещению Х (рис. 6, б).

Рис. 6. Характеристики индуктивных датчиков

На рис. 5, б приведена схема датчика, содержащая две катушки w₁ w₂. Одна из них w₁ питается от источника переменного тока u, на выходе другой при перемещении якоря будет возникать ЭДС е_вых. Взаимная индуктивность определяется:

М = w₁w₂/R_м.

При определенных условиях можно записать:

е_вых =,

т. е. выходной сигнал е_вых обратно пропорционален величине воздушного зазора δ .

И, наконец, датчики, состоящие из замкнутого ферромагнитного сердечника (рис. 5, в) и обмотки, называют магнитоупругими. Принцип действия таких датчиков основан на том, что под воздействием усилия Q, в сердечнике возникает механическое напряжение σ, вследствие чего изменяется магнитная проницаемость μ _с сердечника и, как следствие, изменяется магнитное сопротивление сердечника: R_ст = l_c / μ _cS_c, где l_c и S_c – длина и площадь поперечного сечения сердечника.

Изменение магнитного сопротивления R_ст приведет к изменению индуктивности L и полного сопротивления Z катушки, расположенной на сердечнике. Это явление называют магнитоупругим эффектом, а датчики, принцип действия которых основан на этом эффекте, называют, как отметили выше, магнитоупругими.

Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f(δ ), отличаются датчики с переменным сечением воздушного зазора (рис. 7). Эти датчики используют при измерении перемещений до 10 - 15 мм.

Рис. 7. Примеры индуктивных датчиков:

а – с переменной площадью воздушного зазора S_в; б –дифференциальный

Широко распространены индуктивные дифференциальные датчики (рис. 7, б), в которых под воздействием измеряемой величины (перемещения) одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные датчики в сочетании с соответствующей измерительной схемой (как правило, мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристик, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные датчики.

На рис. 8 показана схема включения дифференциального индуктивного датчика, у которого выходными величинами являются взаимные индуктивности. Такие датчики (преобразователи) называют, как мы уже отметили, взаимно-индуктивными или трансформаторными.

Рис. 8. Примеры индуктивных датчиков:

а - дифференциально-трансформаторный; б - дифференциально-трансформаторный с разомкнутой магнитной цепью; в - конструкция дифтрансформаторного датчика;

г - статическая характеристика дифтрансформаторного датчика

При перемещении якоря от среднего (симметричного) положения на выходе появляется ЭДС.

Для измерения сравнительно больших перемещений (до 50 - 100 мм) применяют дифференциально-трансформаторные датчики с незамкнутой магнитной цепью (рис. 8, б). Конструкция индуктивного дифференциально-трансформаторного датчика и его статическая характеристика показаны на рис. 8 в, г. Этот тип датчиков представляет собой трансформатор с одной первичной w₁ и двумя, соединенными встречно, вторичными обмотками w₂ и w ₂́ (рис. 8, в).

Если сердечник расположен симметрично относительно обмоток, то индуктируемые ЭДС во вторичных обмотках е₁ и е₂ одинаковы, а напряжение на выходе датчика u_вых = 0, т. к. обмотки w₂ и w₂́ включены встречно. При перемещении сердечника, например, вправо, ЭДС в правой обмотке е₁, будет больше, а в левой е₂ – меньше. На выходе датчика появляется напряжение u_вых = е₁- е₂.

Величина амплитуды напряжения говорит, следовательно, о величине перемещения Х, чем она больше, тем больше величина u_вых (рис. 8, г).

При смене направления перемещения сердечника фаза выходного сигнала меняется на 180º. Таким образом, величина амплитуды выходного сигнала u_вых характеризует величину перемещения, а фаза выходного сигнала – направление перемещения (рис. 8, г).

Тензодатчики

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒