Проволочные термосопротивления

Термосопротивления изготовляются из медной, никелевой, платиновой и другой проволоки. Действие их основано на увеличении сопротивления проводника при нагреве. Диапазон измерений — до 500 °С. Относительное приращение сопротивления маленькое — десятые доли процента на 1 °С.

Конструкция проволочного термосопротивления очень проста — это проволочная спираль на изолированном стержне, помещенная в защитный корпус.

 

Полупроводниковые термосопротивления (термисторы)

Действие полупроводниковых термосопротивлений основано на том, что повышение температуры увеличивает количество так называемых свободных электронов в полупроводнике и, следовательно, повышает его электропроводность.

Температурный коэффициент термистора отрицателен и в десятки раз больше, чем у проволочных термосопротивлений.

Термисторы — маломощные датчики, их нельзя нагружать сколь-нибудь значительным током, так как они нагреваются в этом случае уже не теплом окружающей среды, а этим током.

Преимущества термисторов по сравнению с проволочными термосопротивлениями:

большой температурный коэффициент сопротивления, т. е. большая чувствительность;

высокое удельное сопротивление.

Термисторы — малогабаритные элементы, поэтому инерционные свойства их незначительны.

Поскольку сигнал, снимаемый с термистора, имеет малую мощность, применение такого датчика в САУ возможно только с усилителем.

Датчики давления

Большие давления и усилия, способные вызвать деформации и смещения основных элементов конструкций, в промышленной автоматике измеряют, главным образом, с помощью угольных реостатов и тензодатчиков.

Для измерения небольших давлений газа или жидкости применяются различные типы мембранных датчиков и сильфонов.

На рис. 4.15 представлена схема конструкции сильфонного датчика, измеряющего давление газа, который работает следующим образом. При изменении давления газа гофрированные стенки сильфонного цилиндра 1 сжимаются или разжимаются, создавая выходной сигнал.

Сильфонный цилиндр 2 служит для компенсации влияния окружающей среды (изменений температуры, давления и т.д.). Воздух из него откачен, и он запаян.

Сильфонные и мембранные датчики чувствительны к перегрузке: нельзя доводить измеряемое давление до предела, за которым возникают остаточные деформации.

 

 

 

 

Контрольные вопросы

1. Каковы преимущества и недостатки потенциометрических датчиков? Почему у проволочных датчиков имеется ступенчатая погрешность?

2. Чем отличаются схемы и принципы действия индуктивных и индукционных датчиков?

3. Для чего предназначены и как работают емкостные датчики?

4. Какие существуют разновидности фотоэлектрических датчиков и для чего они предназначены?

5. Как устроен и какую характеристику имеет электроконтактный датчик?

6. Для чего используется путевой выключатель и какова его схема/

7. Как устроены и каковы принципы работы центробежного датчика скорости и тахогенератора?

8. Каков принцип работы биметаллических датчиков и для чего они

применяются?

9. Каковы устройство, принцип действия и назначение термопар и

термосопротивлений?

10. Каковы особенности, преимущества и недостатки термисторов'

Как и с помощью каких датчиков измеряют усилия и давления?

 

Глава 5

ЗАДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ

Задающие устройства

Назначением задающего устройства является ввод в систему автоматического управления задающего воздействия, которое в том или ином виде содержит информацию о желаемом течении управляемого процесса.

В замкнутых системах, где осуществляется регулирование по отклонению, задающее устройство вводит заданное значение регулируемой координаты. В разомкнутых системах, где осуществляется регулирование по возмущению, задающее устройство как отдельный элемент отсутствует, и заданное значение регулируемой координаты вводится начальной настройкой системы.

В замкнутых и разомкнутых системах автоматического управления с логическими программами рабочую программу вводит задающее устройство.

В системах регулирования задающее воздействие содержит информацию количественного характера, выраженную в дискретной или непрерывной форме.

В системах с логическими программами наряду с информацией количественного характера используются команды типа включить, выключить, вперед, назад и т.п.

Характер задающего воздействия и объем содержащейся в нем информации определяют конструкцию задающего устройства. Простейшими задающими устройствами являются потенциометры, в которых входной величиной является перемещение, а выходной — электрический сигнал (ток, напряжение). Например, потенциометр, движок которого в начале процесса установлен в определенное положение, т.е. с выхода которого подается в САР определенное напряжение, может служить простейшим задающим устройством для стабилизирующей системы.

Если же движок потенциометра связан с механизмом, осуществляющим его перемещение в течение рабочего процесса, это будет задающее устройство с переменным задающим воздействием.

Автоматические системы с программным управлением, используемые в промышленности, весьма разнообразны и имеют задающие устройства различной степени сложности.

 

 

Наиболее простые автоматические системы с постоянной программой без информационных звеньев обратной связи обычно работают с периодической повторяемостью рабочих циклов, т.е. по окончании одного цикла автоматически начинается следующий, и т.д.

В качестве задающих устройств в таких системах используют командоаппараты, которые могут быть механическими, электрическими, гидравлическими, а также комбинированными.

По виду выходной величины различают командоаппараты непрерывного (рис. 5.1) и дискретного (рис. 5.2) действия.

Принцип действия командоаппаратов всех типов одинаков: распределительный вал вращается с постоянной скоростью от синхронного двигателя или привода самого автоматизированного

 

устройства, совершая один оборот за заданное время цикла. На валу насажены кулачки, воздействующие на электрические контакты и рычаги, открывающие и закрывающие пневмоклапаны или другие управляющие органы. Фазные углы между кулачками можно регулировать, так как конструкция крепления предусматривает возможность угловых смещений. Можно менять и форму кулачков.

За один оборот вала все кулачки и рычаги формируют один цикл задающих команд, посылаемых в автоматическую систему. При этом фактическое выполнение команд не влияет на ход задающего устройства (разумеется, кроме аварийных режимов, когда приборы защиты выключают всю систему).

В автоматических программных системах, имеющих цепи обратной связи, использование задающих устройств типа командоаппаратов не всегда приемлемо. В частности, они не могут применяться, когда начало последующей операции должно зависеть от окончания предыдущей. В качестве задающих устройств для таких систем используют шаговые командоконтроллеры или релейные логические схемы.

Действие шагового командоконтроллера аналогично действию командоаппарата; разница заключается только в том, что в последнем переход от одного состояния коммутируемых цепей к другому осуществляется не по временному закону, а в зависимости от команд, поступающих от управляемого объекта.

В качестве командоконтроллера может быть использован шаговый искатель или любой другой распределитель как с самостоятельным приводом, так и имеющий переменное сцепление посредством муфт с основным приводом машины.

Если функции задающего устройства выполняет релейная схема, то переход от одной операции рабочего цикла к другой осуществляется изменением состояния элементов схемы (срабатыванием, отпусканием) по командам, поступающим от объекта.

На рис. 5.3 показана такая схема. Автоматическое включение вращения шпинделя в цикле обработки осуществляется здесь после того, как деталь зажата в патроне; факт ее зажима контролируется срабатыванием реле давления гидросистемы (РД), т.е. когда оно срабатывает, включается привод шпинделя.

Устройства сравнения

Сравнивающие устройства или элементы сравнения являются неотъемлемой частью любой системы автоматического управления. К одному из входов сравнивающего устройства, как правило, подключается датчик, к другому — задающее устройство (задат-чик).

В качестве задающих устройств в электрических схемах сравнения обычно используют переменные резисторы, а в отдельных случаях — многоцепные переключатели с набором резисторов, потенциометры с профильными каркасами, кулачковые механизмы и другие устройства. С развитием вычислительной техники в качестве задающего устройства стали использоваться специальные программы.

В сравнивающих устройствах управляемая величина у, контролируемая датчиком, сравнивается с сигналом задания #, формируемым задатчиком. На выходе сравнивающего устройства устанавливается исполнительный механизм (ИМ), который в зависимости от сигнала рассогласования 8, определяемого выражением

может находиться в состоянии равновесия (при 8=0) или рабочем состоянии (при ε =0). Пусковое устройство включает ИМ в целях устранения рассогласования.

В кинематических схемах сравнение механических величин может осуществляться с помощью рычага (рис. 5.4, а), равновесие которого определяется соотношением

где F_х, F_зад — соответственно контролируемое и заданное усилия;

l_x , l_зад — плечи рычага, соответствующие контролируемому и заданному усилиям.

В соответствии с этим выражением сигнал рассогласования

 

Следовательно, рычаг может быть использован для сравнения усилий.

Сравнение заданного р_зади контролируемого р_х давлений в гидравлических и пневматических устройствах можно рассмотреть на примере схемы, приведенной на рис. 5.4, б. При р_х = р_задвыходные сигналы одинаковые: р₁ = р₂, а ИМ находится в состоянии равновесия. При р_х > р_зади р₁ > р₂ поршень перемещается вверх. Прир_х < р_зад поршень перемещается вниз.

 

К электрическим сравнивающим устройствам относятся мостовые, потенциометрические, трансформаторные, дифференциально-трансформаторные схемы, электромеханические устройства, нуль-органы и др.

Мостовая схема сравнения постоянного тока (рис. 5.4, в) состоит из задающего резистора R_зад, датчика R_х , сопротивление которого зависит от изменения управляемой величины, и двух образцовых резисторов с сопротивлениями R₁ и R₂. На одну из диагоналей схемы подают напряжение питания U_пит, с другой ее диагонали снимают выходное напряжение U_вых, которое питает ИМ (например, поляризованное реле).

Условие равновесия мостовой схемы определяется равенством произведений сопротивлений ее противолежащих плеч:

в соответствии с которым сигнал рассогласования

 

Считая R_зад = g и R_х R ₂/ R₁ = у, получим исходное выражение для сигнала рассогласования:

Электрическое устройство сравнения может быть выполнено на базе операционного усилителя (рис. 5.4, г). При этом на датчик

R_х подается напряжение +U_x а на задатчик R_зад- напряжение обратной полярности -U_зад.

Выходное напряжение усилителя

 

U_вых = - R_o.c (U_x / R_x – U_зад / R_зад),

где R_o.c — сопротивление обратной связи усилителя.

При использовании операционного усилителя для сравнения напряжений U_x и U_зад, считая R_x = R_зад = R_o.c получают выражение с, тождественное исходному выражению для сигнала рассогласования, если принять g = U_зад и у = U_x.

Операционный усилитель может быть также использован для сравнения сопротивлений R_x и R_зад . Тогда получают значение выходного напряжения усилителя, зависимое от изменения К_х. В этой схеме результат сравнения имеет непрерывную форму.

Наряду с рассмотренными устройствами в автоматике широко распространены устройства сравнения дискретного типа, которые могут выражать отклонение в виде числа (это различные счетчики, шаговые искатели и др.) или в виде логических категорий. Примерами устройств последнего типа могут служить различные релейные элементы.

Простейшие реле постоянного или переменного тока срабатывают, когда ток в цепи срабатывания достигает большего значения, нежели установленный для них предел. Следовательно, факт срабатывания — это сигнал «больше»:

Поляризованные реле, имеющие несколько обмоток, могут осуществлять алгебраическое суммирование нескольких величин. Направление переброски якоря определяется знаком сигнала рассогласования.

 

 

Контрольные вопросы

1. Каково назначение задающего устройства в САУ?

2. Как и в каком виде вводятся заданные величины в различных САУ?

3. Как работают и чем отличаются командоаппараты непрерывного и дискретного действия?

4. Приведите схемы кулачковых задающих устройств.

5. Поясните работу задающего устройства, выполненного по релейной схеме.

6. Какова функция устройств сравнения в составе САУ?

7. Поясните работу электрической мостовой схемы сравнения.

8. Как можно сравнивать механические величины?

 

Глава 6

УСИЛИТЕЛИ

Общие сведения

 

 

Во многих системах регулирования мощность сигнала, поступающего от измерительного устройства, недостаточна для осуществления регулирующего воздействия. Следовательно, сигнал необходимо усилить, для этого и служат усилители. Усилитель — это устройство, в котором входной сигнал преобразуется с усилением его мощности, причем выходной сигнал усилителя имеет ту же физическую природу, что и входной. Кроме того, в усилителях путем введения специальных корректирующих устройств формируются заданные зависимости выходных сигналов от входных.

В САУ применяют усилители разного типа: полупроводниковые, магнитные, электромашинные, гидравлические, пневматические и др.

Все усилители имеют цепь подвода энергии, за счет которой осуществляется усиление. В электронных усилителях это энергия питания цепей схемы, в электромашинных — энергия вращения якоря, в гидравлических — энергия установки, поддерживающей давление в гидросистеме.

Основными характеристиками усилителей, работающих в системах автоматики, являются:

коэффициент усиления;

линейность статической характеристики;

быстродействие;

уровень собственных шумов;

максимальная выходная мощность.

Для усилителей, работающих в подвижных системах (например, летательных аппаратах), большое значение имеет также вес, приходящийся на единицу выходной мощности.

Полупроводниковые усилители систем автоматики аналогичны усилителям низкой частоты и постоянного тока, применяемым в устройствах связи, измерительной технике и т.п. Широко применяются фазочувствительные усилители постоянного тока.

Для полупроводниковых усилителей характерны большое быстродействие, высокие коэффициенты усиления, низкий уровень собственных шумов. Их максимальная выходная мощность, по сравнению с другими типами усилителей невелика. Применяются полупроводниковые усилители в основном в входных и промежуточных каскадах. В качестве выходных усилителей они применяются только в системах, имеющих исполнительные устройства небольшой мощности.

Магнитные усилители

Магнитный усилитель представляет собой многообмоточный дроссель с железным сердечником, работающий по принципу изменения индуктивности обмоток переменного тока при подмагничивании сердечника магнитным полем постоянного направления. Магнитные усилители используются для усиления напряжения и мощности.

На рис. 6.1 представлена схема простого однотактного магнитного усилителя, имеющего одну двухсекционную обмотку переменного тока w~, последовательно с которой включена нагрузка усилителя R_н. На среднем стержне сердечника усилителя намотаны три обмотки: w_упр, w_о.с и w₀ . На обмотку w_упр подается входной сигнал — постоянный ток i_упр. Обмотка обратной связи w_о.с питается через выпрямитель выходным напряжением усилителя. Цепь обратной связи служит для тех же целей, что и в электронных усилителях: положительная обратная связь увеличивает крутизну статической характеристики и одновременно инерцию усилителя, при отрицательной обратной связи, наоборот, усиление уменьшается и инерция усилителя также уменьшается.

Последний фактор весьма важен для магнитных усилителей, так как они (особенно усилители мощности) имеют малое быстродействие.

 

 

 

 

Нулевая обмотка w_о питается от независимого источника постоянного тока и служит для сдвига рабочей точки усилителя на линейный участок его характеристики.

При отсутствии входного сигнала индуктивное сопротивление обмотки w~ усилителя максимально, а выходной сигнал и_вых — минимален. При прохождении по управляющей обмотке входного сигнала железо сердечника намагничивается, приближаясь к насыщению, при этом индуктивное сопротивление обмотки w~ падает, и ток в цепи R_н, а следовательно, и и_вых растет.

При отсутствии тока в обмотке w_о.с статическая характеристика 1 (рис. 6.2) усилителя симметрична относительно оси ординат, и усилитель нечувствителен к полярности входного сигнала.

При включении цепи обратной связи правая ветвь статической характеристики (здесь обратная связь положительна) становится круче, а левая (здесь обратная связь отрицательна) — более пологой (кривая 2).

При подаче в обмотку w_о тока i₀ (см. рис. 6.1) рабочая точка усилителя сдвигается вправо на середину линейной части характеристики. Теперь при положительной полярности i_упр, когда ампервитки i_упр w_упр и i_o w_o складываются, и_вых будет расти, а при отрицательной полярности, когда ампервитки i_упр w_упр вычитаются из ампервитков i_o w_o , напряжение и_вых будет уменьшаться, т.е. усилитель приобретает чувствительность к полярности i_упр. Такой режим работы неудобен наличием значительного сигнала на выходе усилителя при i_упр = 0.

Лучшую статическую характеристику обеспечивает более сложная двухтактная схема усилителя (рис. 6.3), в которой выходной сигнал (рис. 6.4, кривая 3) образуется как разность выходных сигналов двух усилителей 7 и 2 (см. рис. 6.3), имеющих общую цепь управления (см. рис. 6.4, кривые 1 и 2).

В таком усилителе при i_упр = 0 и выходной сигнал и_вых = 0. При положительном i_упр на выходе появляется сигнал и_вых с определенным фазовым углом, а при отрицательном — с фазовым углом, сдвинутым на 180°.

Положительным качеством магнитных усилителей является низкий уровень собственных шумов, что при использовании их в

 

качестве усилителей напряжения позволяет получить усиление до 10⁶... 10⁷. Магнитные усилители мощности обеспечивают усиление порядка 10².

Инерционные свойства магнитных усилителей мощности, выполненных из обычной трансформаторной стали, весьма существенны (их постоянные времени порядка 0, 1... 1, 0 с). Усилители напряжения изготовляются с сердечниками из специальных магнитных материалов. Их инерционные свойства характеризуются постоянными времени порядка Ю^-4... Ю^-5 с.

Основными достоинствами всех типов магнитных усилителей являются высокие надежность, прочность и долговечность.

 

 

Электромашинные усилители

Электромашинный усилитель представляет собой генератор постоянного тока, в котором энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую энергию выходного сигнала, причем управление этим преобразованием осуществляется полем управляющей обмотки (обмотки возбуждения). При соответствующем выборе параметров достигается линейная зависимость между входным сигналом усилителя — током в обмотке возбуждения и выходным напряжением.

На рис. 6.5 представлены схема простейшего (однокаскадного) усилителя и его статистическая характеристика.

В электромашинном усилителе с поперечным полем (рис. 6.6) существует два каскада усиления, конструктивно объединенных в одноякорном генераторе. Генератор имеет две пары щеток. Одна пара (2—2) расположена по продольной оси, а вторая (3—3) — по поперечной и замкнута накоротко.

На одном из полюсов возбуждения усилителя расположена управляющая обмотка 7, а на другом — компенсационная обмотка 5 с сопротивлением 4, по которой протекает часть тока выходной цепи.

Усилитель работает следующим образом: при вращении якоря и подаче в обмотку 1 входного сигнала возникает поле возбуждения (магнитный поток Ф_р). ЭДС, наводимая в обмотке якоря этим полем, вызывает ток в тех секциях якоря, которые замкнуты накоротко через щетки 3—3. Этот ток довольно значителен, так как он усилен по мощности первым каскадом усилителя и, кроме того, выходное сопротивление этого каскада мало.

Ток, протекающий по цепи короткозамкнутых щеток, создает магнитный поток Ф_q, направленный по поперечной оси, который замыкается симметрично через наконечники полюсов маши-

 

 

 

 

Рис. 6.6. Схема конструкции электромашинного усилителя с поперечным

полем:

1 — управляющая обмотка; 2—2 — пара щеток продольного расположения;

3—3 — пара щеток поперечного расположения; 4 — переменное сопротивление

компенсационной обмотки; 5 — компенсационная обмотка

ны. Этот поток служит потоком возбуждения для тех секций обмотки якоря, которые соединяются со щетками 2 — 2. ЭДС, наведенная потоком Ф_q, снимается этими щетками и питает цепь нагрузки. Это второй каскад усиления.

При протекании тока по цепи щеток 2 — 2 возникает поток реакции якоря Ф_r, направленный по продольной оси навстречу потоку возбуждения, который вычитается из Ф_p (посредством отрицательной обратной связи) и резко снижает усиление. Чтобы обеспечить заданное усиление, вводится положительная обратная связь, компенсирующая влияние Ф_r в виде магнитного потока Ф_k, создаваемого компенсационной обмоткой 5. Значение тока в этой обмотке и, следовательно, значение Ф_к устанавливаются с помощью переменного сопротивления 4.

Статическая характеристика двухкаскадного усилителя аналогична характеристике на рис. 6.5, б, но имеет большую крутизну, так как усиление его значительно больше, нежели однокаскадного усилителя.

Достоинством электромашинных усилителей является чувствительность к полярности выходного сигнала. Они также имеют большой диапазон выходных мощностей (от десятков до 10⁴ Вт) и высокий уровень собственных шумов, который при использовании их в выходных каскадах не вносит больших помех в сигнал регулирующего воздействия.

 

Полупроводниковые усилители

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Автономная ветроэлектростанция и топливная электростанция
2. БУКВЕННЫЕ АББРЕВИАТУРЫ, СЛОЖНОСОКРАЩЕННЫЕ СЛОВА И ГРАФИЧЕСКИЕ СОКРАЩЕНИЯ
3. Буквенные аббревиатуры, сложносокращённые слова и графические сокращения
4. Буквенные обозначения измеряемых параметров на схеме автоматизации
5. Виды занятия обороны: (1) вне соприкосновения с противником и (2) при непосредственном соприкосновении с ним.
6. Виды обороны: позиционная и маневренная
7. Датчики температуры. Термочувствительные преобразователи сопротивления (терморезисторы)
8. Датчики, основные показатели и характеристики
9. Для восстановления разрушенных коронок однокорневых зубов верхней челюсти.
10. Какие нервы иннервируют глубокие мышцы спины?
11. Классификация компьютерных сетей
12. Классификация торгового холодильного оборудования