Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

сунке Фрч – реакция якоря при вращении по часовой стрелке, Фрп – против.

аб

Рис. 5.30. Асимметрия характеристики ТГ из-за неправильной установки щеток

Коэффициент асимметрии определяется выражением:

A = 2(U яч −U яп ) 100 %

U яч +U яп

где Uяч ,Uяп – напряжение на якоре при вращении по часовой стрелке и против. Допустимое значение А составляет 0,3 ÷ 1 %. Конструктивно ТГ выполняются с роторами трех типов: катушечными, полыми и дискоидальными роторами.

ТГ с катушечными роторами имеют Uвых в несколько десятков вольт, но большая реакция якоря искажает характеристику, а большая индуктивность ухудшает быстродействие.

Полый ротор образуется проволочной обмоткой на полом немагнитном цилиндре, вращающемся вокруг неподвижного сердечника.

Дискоидальные роторы выполняются по технологии печатных плат.

Полый и дискоидальный ротор характеризуются малым Uвых, но имеют малую реакцию якоря и индуктивность.

Достоинствами ТГ постоянного тока являются: отсутствие влияния фазного угла нагрузки ϕн на Uя и высокая линейность характеристики.

К нeдocтaткам можно отнести недолговечность скользящего контакта, радиопомехи из-за искрения под щетками, коллекторный шум выходного напряжения, сложность конструкции и, следовательно, высокую стоимость.

111

Тахогенератор переменного тока не имеет щеточноколлекторного контакта и соответствующих ему недостатков.

В, и от вращения ротора в переменном магнитном поле. Если представит ротор в виде отдельных проводников (например, в виде «беличьей клетки»), то в этих проводниках будут течь токи, как показано на рисунке. Токи, которые наводятся переменным магнитным полем, показаны внутри окружности ротора. Это трансформаторный эффект. Магнитный поток от этих токов будет направлен вертикально, создавая размагничивающий поток по отношению к вызвавшему его потоку возбуждения. Поскольку все перечисленные магнитные потоки направлены перпендикулярно по отношению к оси выходной обмотки Г, в ней не будет наводиться ЭДС, если ротор неподвижен (ω = 0).

Если ротор вращается, то в нем еще наводятся ЭДС Евр и токи Iвр из-за изменения магнитного потока от вращения ротора. Эти токи и ЭДС показаны на рис 5.31 с внешней стороны ротора. Они тем больше, чем выше скорость вращения ω. Из рисунка видно, что эти токи создают магнитный поток вдоль оси выходной обмотки Г. С

нее снимается сигнал Uвых = kωUвсоs(ωсt+ϕ), где k – конструктивный коэффициент.

Сдвиг фазы ϕ меняется на несколько градусов во всем диапазоне изменения скоростей и испытывает скачок на π при смене направления вращения. При нулевой скорости Uвых ≠ 0 из-за несовершенства конструкции.

Характеристики: диапазон измерений – от 10 об/мин до 2.104 об/мин; Uвых при 1000 об/мин – от 1 до 10 В; линейность характери-

112

стики – от 0,1 до 0,2 % от диапазона измерения; Uост = 10÷100 мВ. Момент инерции ротора – несколько г см2.

Синхронный ТГ работает по принципу однофазного синхронного генератора. Конструкция показана на рис. 5.32.

Выходное напряжение Етг ~ ω. Индуктивное сопротивление выходной обмотки также ~ω, поэтому линейность его характеристики Етг = f(ω) невелика. Синхронные ТГ используются для непосредственного измерения

щения можно определять также по частоте выходного сигнала.

Электромагнитные тахометры линейной скорости. Когда пе-

ремещение значительно, линейную скорость можно определить путем измерения угловой скорости ролика или другой вращающейся детали того же устройства. Так, скорость стального листа прокатного станка определяется скоростью вращения валков.

ность – порядка одного вольта на метр в секунду, линейность – около ±10 %.

Для более значительных перемещений (до 0,5м) используют магнит, который перемещается вдоль оси двух катушек (рис. 5.34). ЭДС, наведенная в катушке перемещением магнита, пропорциональна его скорости.

Катушки включены встречно, и в них наводятся ЭДС разных знаков, при движении магнита ЭДС суммируются. Примером может служить датчик линейной скорости 7L20VT.Z (фирма

113

Schaevitz). Он имеет максимальный ход 500 мм, чувствительность 4,8 мВ/мм/с и линейность ±1 %.

Импульсные тахометры угловой скорости. Если на вращающемся валу диск, на котором через равные промежутки расположены метки (отверстия, зубцы и т. п.), то датчик при прохождении этих меток выдает импульсный сигнал, частота которого равна f = pN

Гц, где р – число меток на диске, N – число оборотов в секунду. Устройством формирования сигнала, пропорционального скоро-

сти вращения, служит либо цифровой частотомер, либо преобразователь частота – напряжение, который состоит из формирователя импульсов постоянной амплитуды и длительности и фильтра низких частот, выделяющего составляющую сигнала, равную среднему значению напряжения импульсов, пропорциональную частоте импульсов и, следовательно, угловой скорости.

водит в катушке ЭДС с частотой, пропорциональной скорости вращения. Амплитуда ЭДС зависит от скорости вращения детали и при малых скоростях может быть недостаточной для обнаружения.

Типичные диапазоны измерений составляют от 50 до 500 об/мин для колеса с 60 зубьями и от 500 до 10000 об/мин для колеса с 15 зубьями.

114

Датчик подобного типа позволяет также определить скорость вращения колеса внутри немагнитного кожуха.

Датчики на токах Фуко. Этот тип датчика используется в том случае, когда вращающееся тело металлическое, но не магнитное. Катушка при приближении металлического тела изменяет L и R. Катушка включена в резонансный контур синусоидального генератора. При изменении ее характеристик генерация колебаний прекращается. Это происходит при прохождении каждого зуба перед катушкой. Число таких прерываний легко посчитать.

Преимуществом такого датчика является то, что амплитуда сигнала не зависит от скорости вращения детали и, следовательно, его можно применять для измерения очень малых скоростей.

Оптический тахометр состоит из источника света 1, оптической системы 2, фотоприемника 3 и диска с отверстиями 4 (или отражающими элементами) (рис. 5.36).

Рис. 5.36. Оптический тахометр

При вращении диска фотодатчик 3 выдает электрические импульсы, частота которых пропорциональна скорости вращения. Обработка сигнала не отличается от описанного выше.

Гирометры – это приборы, устанавливаемые на движущихся объектах для определения их угловой скорости. В зависимости от природы используемого физического явления различают:

а) механические гирометры, основанные на свойствах гироскопа; б) оптические гирометры на лазерах или волоконной оптике,

использующие свойства распространения волн.

Гироскопический измеритель скорости. Гироскоп состоит из ротора 5, смонтированного в кардановом подвесе 3, который вращается вокруг оси YY' с высокой скоростью (~104 об/мин) (рис. 5.37).

115

Рис. 5.37. Механический гирометр

Измеряемая скорость вращения ω направлена по оси ZZ'. Из-за нее возникает гироскопический момент сил, пропорциональный ω и направленный по оси ХХ'. Он стремится повернуть подвес гироскопа. Гироскопический момент уравновешивается моментом, создаваемым двумя пружинами 1; он пропорционален углу α поворота подвеса. Таким образом, в условиях равновесия угол поворота α пропорционален измеряемой скорости ω. С помощью потенциометра 6 со скользящим контактом 4 угол α преобразуется в электрический сигнал. Демпферы 2 гасят колебания подвеса.

Характеристики типового гироскопического измерителя скорости: диапазон измерений – от ±7 до ±360 град/с; отклонение от линейности ±1,5 % от диапазона измерений; порог чувствительности ±1 % от диапазона измерений; ошибка измерения 0,5 % от диапазона измерений; собственная резонансная частота – между

6 и 25 Гц.

116

Оптические гирометры. Когда световая волна распространяется в движущейся среде, преодолеваемое ею расстояние зависит от направления движения среды (рис. 5.38).

.

Рис. 5.38. Пояснение принципа действия оптического гирометра

Пусть между зеркалами Мl и М2 расстояние равно d. Тогда при неподвижных зеркалах (v = 0) свет проходит от Мl до М2 расстоя-

ние d12 и от М2 до Мl расстояние d21, которые равны d12 = d21 = d. Если оба зеркала движутся со скоростью v, то расстояние d12 =

= d(l + v/c), а d21 = d(l – v/c). Разность d12 – d21 = 2d(v/с) пропорцио-

частота которого f пропорциональна скорости вращения ω. Такой прибор позволяет измерить очень малые угловые скорости, порядка 10-2 град/ч.

В другом гирометре (рис. 5.40) луч лазера 2 с помощью полупрозрачного зеркала 4 расщепляется на два пучка 3, которые распространяются в противоположных направлениях по оптическому волокну 1, вращающемуся с измеряемой скоростью ω.

117

На выходе из стекловолокна два пучка интерферируют. Подсчет числа n смещенных из-за вращения полос позволяет измерить

В гирометрах этого типа можно увеличить длину h стекловолокна при многовитковой намотке. Это позволяет измерять угловые скорости в 100 раз меньшие, чем при ис-

пользовании лазерного гирометра по схеме рис. 5.39.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 5

1.Как работают потенциометрические датчики перемещений?

2.Как работают индуктивные датчики перемещений? Назовите их конструктивные разновидности.

3.Какие электрические машины используются для измерения угловых перемещений?

4.Каков принцип действия индуктосина?

5.Назовите принцип действия оптических датчиков перемещения.

6.Каковы конструктивные особенности емкостных датчиков перемещения?

7.Что такое деформация? Чем она отличается от перемещения?

8.Назовите тензодатчики, принцип действия которых основан на изменении сопротивления.

9.В чем заключается эффект Холла и как его можно использовать для измерения малых перемещений?

10.Где используются струнные датчики?

11.Что такое пьезорезонансный датчик и как он используется для измерения усилий, деформаций и др.?

12.Каков принцип действия тахогенератора постоянного тока?

13.Каков принцип действия тахогенератора переменного тока?

14.На каком принципе работают электромагнитные тахометры линейной скорости?

15.На каком принципе работают импульсные тахометры угловой ско-

рости?

16.Что такое гироскоп и как он используется для измерения угловой скорости?

17.Назовите принцип действия оптического гироскопа.

118

6. ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Давление является важным параметром систем контроля и управления производственными процессами. Давлениеопределяется каксила, действующаянаединицуповерхностиp = dF/dS.

Единица давления паскаль (Па) в системе СИ представляет собой давление, действующее равномерно с силой 1 Н на площадь 1 м2. В технике предпочитают пользоваться кратной величиной – баром, равным 105 Па или 750 мм рт.ст. Старая практическая единица 1 кг/см2 (к использованию не рекомендуется) соответствует 735 мм рт.ст. или 10 м водяного столба.

6.1. Чувствительные элементы датчиков давления

Принципы измерения давления. В неподвижной жидкости изме-

ряется сила F, действующая на поверхность площадью S стенки, ограничивающей среду. Чувствительным элементом датчика давления в большинстве случаев является динамометрический элемент, какой-либо параметр которого (например, геометрический) может изменяться под действием силы F = pS. В качестве чувствительных элементов наиболее часто используются трубчатый элемент (трубка Бурдона), сильфон и диафрагма.

Трубка Бурдона. Этот чувствительный элемент представляет собой изогнутую или закрученную металлическую трубку эллиптического поперечного сечения, закрытую с одной стороны. Наиболее распространены трубки Бурдона двух типов: С-образного (рис. 6.1, а) и спирального типа (рис. 6.1, б). Используются также трубки Бурдона винтового (рис. 6.1, в) и закрученного типа (рис. 6.1, г).

Принцип действия трубки Бурдона основан на том, что закрытая с одного конца трубка с некруглым поперечном сечением стремится выпрямиться под давлением газа или жидкости, действующем изнутри. Линейное или угловое перемещение закрытого конца трубки передается на указатель перемещения в случае датчиков механического типа, или на датчик перемещения, в случае датчика давления электромеханического типа.

119

Рис. 6.1. Наиболее распространенные трубки Бурдона

Сильфоны. Чувствительные элементы сильфонного типа делаются из тонкостенных гофрированных труб, загерметизированных с одной стороны. Число изгибов гофра может быть от нескольких единиц до более двух десятков. При изменении давления внутри сильфонаон сжимается или растягивается в осевом направлении, вызывая перемещение прикрепленного к его концу стержня, который связан с показывающим устройством. На рис. 6.2 показаны несколько наиболее употребительных видов сильфонных устройств.

Для уменьшения осевого смещения сильфон снабжают сдерживающей пружиной (рис. 6.2, б). Это позволяет измерять более высокие давления, улучшить линейность характеристик и продлить срок их службы. Использование пружины вместе с сильфоном упрощает калибровку датчика, так как регулировка сильфона сводится к регулировке пружины. Начальное напряжение пружины определяет установку нуля, а число дополнительных витков определяет рабочий диапазон.

120