Измерение угла поворота вала

Наиболее распространенным является измерение угла поворота коленчатого вала в процессе работы микропроцессорной системы управления двигателя. При этом используют индуктивные датчики, структурная схема и внешний вид которого представлены на рис. 28.

а)	б)

Рис. 28. Индуктивный датчик: а) структурная схема; б) внешний вид;

1 – металлический стержень; 2 – провод, намотанный в виде катушки; 3 – металлический кронштейн крепления датчика; 4 – магнит; 5 – металлическая экранирующая оплетка проводов; 6 – выводы для подключения катушки датчика; 7 – вывод, для подключения экранирующей оплетки

Индуктивный датчик состоит из катушки провода 2, намотанного на металлический стержень 1. В верхней части датчика закреплен магнит 4. Катушка 2 имеет два вывода 6, которые помещены в экранирующую оплетку 5. Для подключения датчика используют два вывода 6 катушки 2 и провод от экранирующей оплетки 7.

Индуктивный датчик (ИД) устанавливают в кожухе сцепления двигателя

так, чтобы нижний конец его металлического стержня 2 находился на расстоянии 0, 5¸ 1, 0 мм от поверхности зубьев венца 1 маховика двигателя (рис. 29, а).

Магнит создает магнитное поле вокруг катушки датчика. При вращении маховика, зубья его венца движутся относительно стержня индуктивного датчика. При прохождении вершины зуба мимо стержня магнитное поле вокруг датчика увеличивается, поскольку зазор между ними минимален. При прохождении впадины зуба, зазор между стержнем датчика и маховиком сильно увеличивается и магнитное поле датчика резко снижается. Таким образом, на катушку индуктивного датчика действует переменное магнитное поле и в ней возникает переменный ток, с напряжением ±U_д которое можно снять с контактов датчика. Форма сигнала индуктивного датчика представлена на верхнем графике рисунка 29, б. Максимальная амплитуда его сигнала U_{д мах} зависит от скорости прохождения зубьев относительно стержня датчика и может достигать от долей до нескольких десятков вольт.

 

а)	б)

Рис. 29. Измерение угла поворота коленчатого вала

а) блок-схема микропроцессорного измерителя; б) - осциллограммы сигналов; 1 – зубчатый венец маховика; 2 – индуктивный датчик; 3 – полупроводниковый диод; 4 – жидкокристаллический дисплей

 

Для измерения угла поворота коленчатого вала, сигнал ±U_д индуктивного датчика фильтруют, пропуская его через полупроводниковый диод 3 (рис. 29, а). Поскольку диод 3 попускает ток только в одну сторону и не пропускает его в другую, то на его выходе останутся только положительные полупериоды сигнала датчика с напряжением +U_д (их форма представлена на среднем графике рис. 29, б).

Положительные полупериоды сигнала индуктивного датчика напряжением +U_д поступают на вход формирователя ФИ стандартных (по форме и длительности) прямоугольных импульсов. В моменты времени t₁, t₂, и т.д., когда зубья маховика начинают проходить мимо стержня индуктивного датчика, формирователь импульсов ФИ будет вырабатывать на своем выходе по одному стандартному прямоугольному импульсу, напряжением +5В (см. нижний график рис. 29, б).

Чтобы, используя стандартные импульсы, определить величину угла поворота коленчатого вала необходимо знать количество зубьев Z на венце его маховика. Величина угла j_v поворота коленчатого вала будет равна:

, [град] (2.21)

где n_z – количество стандартных импульсов, на выходе формирователя ФИ за период поворота коленчатого вала на угол j_v.

Для решения этого уравнения используют микропроцессор МК. Стандартные импульсы формирователя ФИ поступают на вход микропроцессора МК. Программа микропроцессора считывает с его входа стандартные импульсы (считает n_z) и, решая уравнение (2.21), определяет величину угла поворота коленчатого вала j_v.

Измерение скорости вращения коленчатого вала. Используя схему, представленную на рис. 2.21, а) можно измерять скорость n _e вращения коленчатого вала двигателя. Для этого в схеме с микропроцессором установлен кварцевый генератор, генерирующий стандартные импульсы времени, длительностью t _t =1, 0 секунду. Чтобы определить скорость n _e вращения коленчатого вала двигателя микропроцессор решает уравнение вида:

, [об/сек] (2.22)

где n _t – количество стандартных импульсов, поступивших в микропроцессор МК от формирователя ФИ за время t _t = 1, 0 с.

При необходимости, скорость n _e вращения коленчатого вала двигателя можно отображать на жидкокристаллическом дисплее 4 (рис. 2.21, а).

Абсолютная погрешность системы измерения угла j_v поворота определяется по формуле:

, [град]. (2.23)

Относительная погрешность системы измерения скорости n _e вращения определяется по формуле:

(2.24)

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Измерение температуры выполняют несколькими средствами, наиболее распространенными из которых являются термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи. Их выпускают в разных ис­полнениях в зависимости от способа контакта с окружающей средой (по­гружаемые, поверхностные), условий эксплуатации (стационарные, перенос­ные), защищенности от воздействия окружающей среды (обыкновенные, пылезащищенные, водозащищенные, взрывозащищенные), герметичности, инерционности, устойчивости к меха­ническим воздействиям (обыкновенные, виброустойчивые). Они различаются по количеству чувствительных элементов для измерения температуры в одной зоне (одинарные, двойные), числу зон (одно- и многозонные) и выводных проводников (два, три, че­тыре).

ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕ­НИЯ

Принцип действия термопреобра­зователей сопротивления основан на использовании свойства чувствитель­ного элемента менять свое сопротив­ление при изменении температуры. Они могут быть проволочными и полу­проводниковыми.

Термопреобразователи сопротивле­ния ПРОВОЛОЧНЫЕ. Материалом проволочных термо­преобразователей является, как пра­вило, медь или платина (см. табл.).

В диапазоне температур от - 50 до +180 °С сопротивление меди нахо­дится в линейной зависимости от тем­пературы:

R_t = R_o [1 + α (t – t_o)],

где R_t - сопротивление при темпера­туре t, α = 0, 00428 1/°С.

Сопротивление платины:

R_t = R_o [1 + α _п (t – t_o) + β _п (t – t_o)²],

где α _п = 3, 94∙ 10-3 1/°С; β _п = 5, 8∙ 10-7 1/°С.

Конструкции термопреобразователей сопротивления весьма разнообразны. Чувствительный элемент большинства из них представляет собой спираль, намотанную без механических натяже­ний на каркас из изоляционного ма­териала. Каркас со спиралью помещен в защитный кожух, представляющий собой металлическую или стеклянную гильзу, заполняемую гелием или по­рошком окиси алюминия.

По точности измерения температуры термопреобразователи сопротивления делят на пять классов (см. таблицу).

Основные параметры термопреобразователей сопротивления

 

Тип термопреобразователя (ма­териал проволоки)	Номинальная статическая характерис­тика преобразования	Диапазон измеряемых температур, °С	Номинальное сопро­тивление при 0 °С, Ом
ТП (платина)	1 П 5 П 10 П 100 П 500 П	От -50 до 1100 » -100 > 1100 » -260 » 1000 » -260 » 1000 » -260 » 300
ТП (медь)	5 М 50 М 100 М	От -50 до 200 » -50 » 200 » -200 » 200

Наи­большее применение в научных исследованиях получили серийные преобра­зователи ТСП-5071 с температурным диапазоном от -200 до +600 °С. Температурный коэффициент полу­проводниковых термопреобразовате­лей ( термисторов ) более высокий (3÷ 6 % на 1 °С), по сравнению с про­волочными (0, 4 % на 1 °С). Они отли­чаются большим внутренним сопро­тивлением, малыми габаритами, вы­сокой механической прочностью, дли­тельным сроком службы и низкой стои­мостью.

Для измерения температуры термопреобразователи сопротивлений R₁, R₂, R₃, и R₄ включают в мостовую схему с балансировочным резистором и усилителем (см. рис. 29-1).

Рис. 29-1. Мостовая схема включения термопреобразователей сопротивлений с балансировочным резистором и усилителем.

Причем, если необходимо измерить разность температур между двумя средами, то термопреобразователи сопротивлений R₁ и R₂ располагают в одной среде, а термопреобразователи сопротивлений R₃ и R₄ – в другой. Включение термопреобразователей сопротивлений R₁ и R₂, а также R₃, и R₄ в мостовую схему[1] следует выполнять попарно, в диагонали моста. В этом случае при нагревании (или охлаждении) любой пары резисторов разность потенциалов между точками А и С будет изменяться пропорционально изменению температуры.

Перед измерением схему сначала прогревают (дав поработать 10÷ 15 минут) а затем балансируют и тарируют. Балансировку схемы выполняют при нахождении всех термопреобразователей сопротивлений R₁, R₂, R₃, и R₄, в одинаковой температуре. Её производят резистором R₇ до тех пор, пока разность потенциалов между точками А и С не будет равна «нулю». Показание измерительного прибора mA при этом установится на отметке «ноль».

Для тарировки схемы термопреобразователи сопротивлений R₁ и R₂ постепенно нагревают до максимальных рабочих температур, а затем также постепенно охлаждают их, одновременно регистрируя температуру и показания прибора mA. При этом термопреобразователи сопротивлений R₃ и R₄ должны находиться при постоянной начальной температуре. По результатам тарировки строят тарировочный график функции A=f(T^oC), по которому рассчитывают величину абсолютной и приведенной погрешности измерения.

Абсолютная погрешность системы измерения температуры определяется как максимальная разность, по формуле:

^max, [^oC]

где Т_н – температура, измеренная схемой в режиме её повышения;

Т_о – температура, измеренная схемой в режиме её понижения.

Относительная погрешность системы измерения температуры определяется по формуле:

Важным параметром преобразова­теля является показатель тепловой инерции или постоянная времени, оп­ределяемая как время, в течение ко­торого тело, помещенное в среду с по­стоянной температурой, нагревается до 63, 2 % значения температуры среды. По этому параметру термопреобра­зователи сопротивления выпускают с малой тепловой инерцией (не более 10 с), со средней (не более 60 с) и с боль­шой (более 60 с), что определяется их конструкцией.

К недостаткам термисторов относят нелинейность и низкую вос­производимость градиуровочной ха­рактеристики, что приводит к необхо­димости их индивидуальной градуи­ровки.

Допускаемые отклонения параметров термопреобразователей сопротивлений

 

Допускаемые отклонения	Класс термопреобразователя	Тип термопреобразователя
ТП (платина)	ТП (медь)
Номинального сопротивления при 0 °С, %	I II III IV V	±0, 05 ±0, 1 ±0, 2 ±0, 4 ±0, 8	— ±0, 1 ±0, 2 ±0, 5 ±1, 0
Отношения 1, 3910 (ТСП) W100 = 1, 4280 (ТСМ)	I   II   III   IV   V	+0, 0015 -0, 0005 + 0, 0015 - 0, 0010 + 0, 0015 - 0, 0020 + 0, 0015 - 0, 0030 +0, 0015 -0, 0050	—   ±0, 0010   ±0, 0020   ±0, 0030   + 0, 0030 - 0, 0050

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. Чувствительным элементом (датчиком) термоэлектрическогопреобразо­вателя является термопара.

Термопары изготавливают из двух разнородных электродов в виде проволоки, (например: хромели – 1 и алюмели – 2) соединенных (обычно, сваренных электродуговым способом) в одной точке – 3 (рабочий конец термопары). При не­равенстве температур рабочего и сво­бодных концов термопары на последних возникает, сигнал (термо-ЭДС), пропорциональный разности темпера­тур рабочего и свободных концов. В качестве прибора, регистрирующего ЭДС, обычно используют милливольтметры и миллиамперметры.

Низкие температуры (до -200 °О измеряют медь-копелевыми, хромель-копелевыми, хромель-алюмелевыми, железо-константановыми и медь-кон-стантановыми термопреобразователя­ми, из которых последние получили наибольшее применение. Для измере­ния более низких температур термо­электрические преобразователи при­меняют редко вследствие их невысокой чувствительности, а также значитель­ных погрешностей, обусловленных паразитными ЭДС.

Преобразователи типа ТВР исполь­зуют в вакууме или в инертных сре­дах, так как при высоких температу­рах на воздухе они окисляются.

Ниже в таблице приведены основные пара­метры термоэлектрических преобразо­вателей и формулы для вычисления пределов допускаемых отклонений термо-ЭДС термопар от градуировочных таблиц.

Основные параметры термоэлектрических преобразователей

Тип преобразователя	Номинальная статическая характеристика преобразования	Материал термоэлектродов	Измеряемые температуры при длительном применении, оС	Предельная температура при кратковременном применении, оС	Допускаемые отклоне­ния термоЭДС термо­пар преобразователей, мВ
ТПР   ТПП   ТХА   ТХК   ТВР	ПР-30/668   ПП68 ХА68   ХК68   ВР 5/2068-1 ВР 5/2068-2 ВР 5/2068-3	Платинородий (30 % родия) Платинородий (10 % родия) - платина Хромель-алюмель   Хромель-копель   Вольфрамрений (5 % рения) — вольфрамрений (20 % рения)	300÷ 1600   0 ÷ 1300   От -50 до +1000 От -50 до +600 0 ÷ 1800		0, 01+3.3∙ 10-5(t-300)   0, 01+2.5∙ 10-5(t-300)   0, 16+2, 0∙ 10-4(t-300)   0, 2 + 6, 0∙ 10-4(t-300)   0, 08+4, 0∙ 10-6(t-1000)

Термоэлектрический преобразова­тель как элемент системы регулиро­вания в значительной степени опреде­ляет характеристики температурного устройства испытательной машины. Тепловая инерция термопреобразова­теля зависит от его конструктивного исполнения, уровня температуры и диаметра термоэлектродов.

Выпускают термопреобразователи малой, средней, большой и, ненормированной инерцион­ности с показателем тепловой инерции соответственно не более 5, 60, 180 и свыше 180 с для погружаемых, и не более 10, 120, 300 и свыше 300 с для поверхностных термопреобразователей.

АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

Пирометрические методы находят все более широкое применение для получения видимого изображения и регистрации температурного поля по­верхности материальных объектов. Приборы для наблюдения и исследования объ­ектов по их тепловому излучению называются тепловизорами.

Первые приборы, разработанные для ночного видения, основанные на при­менении электронно-оптических методов усиления и визуализации фотоэлектро­нов, имели спектральный диапазон чувствительности до 1, 3 мкм и позволяли наблюдать распределение температур только выше 400 °С.

Телевизионные приемные трубки - видиконы с фоторезистивным слоем из пленки оксида свинца или сульфида оксида свинца чувствительны к излучению до 2 мкм. Чувствительные телекамеры, снабженные такими видиконами, дают возможность определять температурное поле при температурах выше 250 °С.

Создание чувствительных приемников инфракрасного излучения, спектраль­ная чувствительность которых простирается далеко в инфракрасную область спектра, открыло широкие возможности для развития термографии и тепловиде­ния объектов с более низкими температурами. Применение в качестве приемни­ков излучения пироэлектрических элементов дает возможность получать ви­димое изображение температурного поля объектов с температурой от -20 до +2000 °С.

Телевизионные приемники инфракрасного излучения, в которых видикон выполнен со сканируемой поверхностью из пироэлектрического кристалла три-глицилсульфата, позволяют создавать чувствительные пироэлектрические тепло­визоры, известные под названием пиротронов, пироконов или видиконов пиро­электрических, которые обеспечивают прием инфракрасного излучения вплоть до 40 мкм.

Структур­ная схема тепловизора показана на рис. 29-2. Приемно-оптическая система 7, управ­ляемая сканирующей системой УСкС, производит обзор объекта и разлагает его изображение в ряд точек, излучение от ко­торых воспринимается приемником излучения 6, выходной сигнал которого подается на усилитель УВО. Сигналы с усилителя УВО и устройств развертки и синхронизации ГПНсоздают на экране электронно-лучевой трубки[2] 5видимое изображение температурного поля поверхности исследуемого объекта.

Обзор происходит в пределах поля зрения, определяемого углами α и β, за время t, называемое временем кадра. В качестве приемников излучения применяются фоторезисторы из антимонида индия, охлаждаемые жидким азотом до -196°С. Такие приемники имеют постоянную времени 1 мкс, что позволяет в зависимости от требуемого геометрического разрешения полу­чать кадры с частотой 0, 5÷ 60 Гц. Низкая частота кадров пока ограничивает применение тепловизоров при исследовании динамики тепловых процессов и на­блюдении быстродвижущихся объектов.

Рис. 29-2. Структур­ная схема тепловизора, 1 – электронно-лучевая трубка; 2 – электронная пушка; 3 – вертикально отклоняющие пластины; 4 – горизонтально отклоняющие пластины; 5 - экран электронно-лучевой трубки; 6 - приемник излучения; 7 - приемно-оптическая система; УВО – усилитель вертикального отклонения луча; УГО – усилитель горизонтального отклонения луча; ГПН – генератор пилообразного напряжения; УСкС - управ­ляющая сканирующая система

Можно увеличить геометрическое раз­решение и частоту кадров применением нескольких приемников, соединенных в строку или детекторную матрицу.

Важной характеристикой тепловизоров является их порог чувствительно­сти - минимально определяемая разность температур Δ Т_мин на поверхности АЧТ (e=1) с температурой 25°С, при которой отношение сигнала к собствен­ным шумам тепловизора должно быть равно 1. У серийно выпускаемых тепло­визоров Δ Т_мин = 0, 1÷ 0, 3 °С.

а)	б)

Рис. 29-3. Внешний вид тепловизора – а) и изображение температурных полей двигателя на экране тепловизора – б)

Для исследования температурных полей малых объектов разработаны тепловизорные микроскопы и микрорадиометры, применяемые, например, для ис­следования температурного поля микросхем с целью обнаружения скрытых де­фектов. В таких приборах используется микроскопная оптика с увеличением от 3 до 125. Известны микрорадиометры, имеющие пространственное разрешение 10 мкм и температурное разрешение Δ Т=0, 06°С в диапазоне температур от -30 до +850°С.

Тепловидение и термография широко применяются при геологиче­ских и климатологических исследованиях земной поверхности, в медицинской практике для диагностики, в строительстве для проверки теплоизоляции зданий, для обнаружения мест перегрева в электрических цепях и у различного рода энергетического оборудования, для измерения механических напряжений и деформаций. Для температурного зондиро­вания атмосферы применяются спутниковые радиометры, а для поисков залежей полезных ископаемых - спектрорадиометры. Такие приборы обычно градуиру­ются непосредственно в единицах температуры или в единицах энергетической яркости.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. XII. 5.6. Методика обучения поворотам
2. Аксиологическое измерение науки
3. Б1.В.ДВ.17 «Культурное измерение Севера и Арктики»
4. Вклад А. Бине в измерение интеллекта
5. Звуковой диапазон частот, эквалайзер
6. Измерение атмосферного давления
7. Измерение взаимоотношений между тренером и спортсменом
8. Измерение временных интервалов и частоты
9. Измерение вязкости капиллярным вискозиметром
10. ИЗМЕРЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ УГЛОВ.
11. Измерение действующего значения и начальной фазы токов во всех ветвях и падений напряжений на всех элементах R, L и С – цепи
12. Измерение ёмкостей методом сравнения (замещения)