Кивран Владимир Казимирович

Там, где используются высокие мощности, например в коммутирующем оборудовании, электродвигателях, трансформаторах, что характерно для технологического оборудования механической обработки, необходимо осуществлять гальваническую развязку измерительных цепей датчиков от силовых цепей. Простейшим разделяющим элементом, обеспечивающим такую гальваническую развязку, можно считать электромагнитное реле. Наиболее современным решением задачи гальванической развязки является реализация этой развязки на паре светодиод — фототранзистор.

Такого рода сочетание называется трансоптором, или оптроном. Чтобы датчики можно было практически использовать для подключения к системам автоматизации производственных процессов, в машиностроении используются три измерительные схемы: мостовая, дифференциальная и компенсационная.

Мостовая измерительная схема. Мостовая измерительная схема, существующая в двух разновидностях (балансной и небалансной) изображена на рисунке.

На рисунке в противоположных участках цепей измерительной схемы, называемых плечами моста, размещаются эталонные сопротивления Ru R2n R3, а также измеряемое сопротивление Rx. Для равновесия моста необходимо, чтобы произведения величин сопротивлений, установленных в противоположных плечах измерительного моста, были равны между собой.

При соблюдении условий равновесия измерительного моста напряжение на его выходной диагонали будет отсутствовать, т.е. 1/шт = 0. При изменении измеряемого сопротивления Rx условия равновесия измерительного моста будут нарушаться и на этой диагонали появится соответствующий электрический сигнал. Повышения точности отсчета можно добиться, изменяя сопротивления R находящиеся в соседних плечах измерительного моста, таким образом, чтобы несмотря на изменения измеряемого сопротивления Rx свести к нулю изменения выходного напряжения. Факт равенства нулю выходного напряжения фиксируется с помощью установленного в выходной диагонали измерительного моста прибора или устройства, называемого нульиндикатором. Использование нульиндикатора позволяет с большей точностью «ловить» момент равенства нулю выходного напряжения.

Дифференциальная измерительная схема. Для измерения емкостного сопротивления обычно используется дифференциальная схема. Такая схема также существует в двух вариантах.

По первому варианту дифференциальной схемы, изображенному на рисунке, я, как эталонное сопротивление 4, так и измеряемое емкостное сопротивление 1 включаются в электрические контуры, симметрично запитываемые переменным напряжением от трансформатора 2. При равенстве эталонного 4 и измеряемого 7 емкостного сопротивлений противоположно направленные токи в этих контурах , будут равными по величине, так что результирующий ток через измерительный прибор 3 оказывается равным нулю, поскольку этот ток представляет собой разность токов 1 и 2. При изменении величины измеряемого емкостного сопротивления показания измерительного прибора 3 будут отличаться от нуля и однозначно изображать эти изменения емкостного сопротивления. Такая схема называется дифференциальной именно потому, что она основана на вычитании токов 1 и 2.

Другой вариант измерения изменяющегося емкостного сопротивления с помощью дифференциальной схемы приведен на рисунке, б. Здесь также происходит вычитание токов 1 и 2, но изменение измеряемого емкостного сопротивления 1 компенсируется изменением напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора 2, так что ток через измерительный прибор 3 остается равным нулю. Величина АЕ, на которую нужно изменить исходное напряжение Е, однозначно определяет величину изменения измеряемого емкостного сопротивления. Приравнивание к нулю тока через измерительный прибор позволяет использовать его как нульиндикатор, что повышает точность измерений. Для этой цели и применяется такой вариант дифференциальной схемы.

Компенсационная измерительная схема. Для использования сигнала от генераторных датчиков применяется компенсационная схема измерительная. Суть работы компенсационной схемы состоит в том, что подбирается значение ЭДС источника, равное ЭДС, генерируемой датчиком. Факт равенства подбираемой и генерируемой датчиком ЭДС определяется по отсутствию тока в соответствующем контуре. Факт же отсутствия тока в контуре определяется по показаниям прибора, являющегося нульиндикатором. При этом не требуется измерять абсолютную величину протекающего тока, а требуется лишь определить факт равенства этого тока нулю. Этим и обусловливается высокая чувствительность компенсационной схемы с нульиндикатором.

Реостатные датчикипредставляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

 

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.

 

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.

 

Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики I_н=f(х), гдеI_н- ток в нагрузке.

 

Выходной величиной такого датчика является падение напряжения U_выхмежду подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контактаU_вых=f(х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.

 

Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материлов — обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.

Индуктивные датчикислужат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X(входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.

 

В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины.

 

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.

 

Преимущества

-   нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов

-   отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания

-   высокая частота переключений до 3000 Hz

-   устойчив к механическим воздействиям

 

Недостатки- сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

Емкостные датчики- принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

 

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = e₀eS/h

где e₀- диэлектрическая постоянная;e- относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;S- активная площадь обкладок;h- расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости C(S) иC(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

 

Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.

 

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

 

Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообраз­ных, прямоугольных и т. п.).

 

Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость eкоторых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщино­меры), а также контроля влажности и состава вещества.

Деформационные манометры и дифманометры

В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила преобразуются в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержат упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки.

Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рис. 5. К их числу относятся трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром.

Рис. 5. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров

а - трубчатые пружины; б - сильфоны; в, г - плоские и гофрированные мембраны; д - мембранные коробки; е - вялые мембраны с жестким центром

Статической (упругой) характеристике чувствительного элемента, связывающей перемещение рабочей точки с давлением, присуще наличие начальной зоны пропорциональных перемещений, в которой имеют место упругие деформации, и нелинейной области, в которой возникают пластические деформации. Несовершенство упругих свойств материалов чувствительных элементов обусловливает наличие гистерезиса статической характеристики и упругое последействие. Последнее проявляется в запаздывании перемещения рабочей точки по отношению к приложенному давлению и медленном возвращении ее в начальное положение после снятия давления.

Форма и крутизна статической характеристики зависят от конструкции чувствительного элемента, материала, температуры. Рабочий диапазон выбирается в области упругих деформаций с обеспечением запаса на случай перегрузки чувствительного элемента давлением.

3.1 Пружинный манометр

Полые одновитковые трубчатые пружины (см. рис. 5, а), имеют эллиптическое или плоскоовальное сечение. Один конец пружины, в который поступает измеряемое давление, закреплен неподвижно в держателе, второй (закрытый) - может перемещаться. Под действием разности измеряемого внутреннего давления и внешнего атмосферного трубчатая пружина деформируется: малая ось сечения трубки увеличивается, большая уменьшается, при этом пружина раскручивается и ее свободный конец совершает перемещение в 1 ...3 мм. Для давлений до 5 МПа трубчатые пружины изготовляют из латуни, бронзы, а для более высоких давлений - из легированных сталей и сплавов никеля.

Большинство показывающих, самопишущих и сигнализирующих манометров с трубчатой пружиной являются устройствами прямого преобразования, в которых давление последовательно преобразуется в перемещение чувствительного элемента и связанного с ним механически показывающего, регистрирующего или контактного устройства.

Рис. 6. Пружинный показывающий механический манометр

- одновитковая трубчатая пружина; 2 - держатель; 3 - пробка; 4 - поводок; 5 - зубчатый сектор; 6 - шестерня; 7 - стрелка

Схема показывающего пружинного манометра представлена на рис. 6. Одновитковая трубчатая пружина 1 с одного конца приварена к держателю 2, прикрепленному к корпусу манометра. Нижняя часть держателя заканчивается шестигранной головкой и штуцером, с помощью которого к манометру подсоединяется трубка, подводящая давление. Свободный конец пружины 1 припаян к пробке 3, шарнир- но соединенной с поводком 4.

При перемещении свободного конца пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относительно оси О, вызывая поворот шестерни (трибки) 6 и сидящей на одной оси с ней показывающей стрелки 7. Пружина, не приведенная на рисунке, обеспечивает поджатое зубцов трибки к зубцам сектора, убирая люфт. Статическая характеристика манометра может подстраиваться за счет изменения точки закрепления поводка 4 в прорези сектора 5 и смещения положения стрелки, устраняя мультипликативную и аддитивную погрешности. На рис. 2 показано радиальное размещение штуцера. Манометры также изготавливаются с его осевым размещением.

Пружинные показывающие манометры выпускаются с верхним пределом измерения от 0,1 МПа (1 кгс/см2) до 103 МПа (104 кгс/см2) в соответствии со стандартным рядом. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения - 0,1...0 МПа, а мановакуумметры при нижнем пределе измерения - 0,1 МПа имеют верхний предел измерения по избыточному давлению от 0,1 до 2,4 МПа. Образцовые показывающие пружинные манометры имеют класс точности 0,15; 0,25 и 0,4; рабочие 1,5; 2,5; 4, рабочие повышенной точности 0,6 и 1.

3.3 Мембранный манометр

Наиболее разнообразными по конструкции являются мембранные чувствительные элементы. Представленная на рис. 5 в, плоская или пластинчатая мембрана представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по окружности. Под влиянием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет нелинейную упругую характеристику и малые перемещения рабочей точки, в связи с чем ее в основном применяют для преобразования давления в силу (пьезоэлектрические преобразователи), поверхностные деформации (тензопреобразователи) и малые перемещения (емкостные и резонансные преобразователи). Преобразователи с такими чувствительными элементами рассмотрены в разделе электрических манометров.

Для улучшения статической характеристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки (см. рис. 5, г, д). Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными, синусоидальными. Гофрирование мембраны приводит к увеличению ее жесткости, спрямлению статической характеристики и увеличению зоны пропорциональных перемещений рабочей точки. Более широко используются мембранные коробки, которые представляют собой сваренные или спаянные по внешней кромке мембраны. Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В дифманометрах, чувствительных элементах регуляторов прямого действия используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.

В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина, выполняющая функции упругого элемента.

Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры. Так, у трубчатых пружин температурный коэффициент снижения жесткости при росте температуры достигает 3 * 10 -4°С. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды. С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие, это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее смещению. Процесс изменения статической характеристики ускоряется при повышенной температуре и пульсации измеряемого давления. Конструкция деформационных манометров и дифманометров обычно предусматривает возможность коррекции отклонений показаний или выходного сигнала, вызванных старением упругого чувствительного элемента.

Мембранные упругие чувствительные элементы, чаще в виде мембранных коробок, используются в приборах для измерения напора и разрежения. Схема профильного напоромера типа НМП и его внешний вид представлены на рис. 8.

Рис. 8. Схема и внешний вид профильного мембранного напоромера НМП:

1 - штуцер; 2 - мембранная коробка; 3 - система рычагов и тяг; 4 - ось; 5 - показывающая стрелка; 6 - профильная шкала; 7 - корректор

Измеряемое давление через штуцер 1 на задней стенке прибора подается во внутреннюю полость мембранной коробки 2. С помощью системы рычагов и тяг 3, изображенных на схеме упрощенно, перемещение центра мембранной коробки преобразуется в пропорциональный угол поворота оси 4, на которую насажена показывающая стрелка 5, перемещающаяся вдоль профильной шкалы б. Для настройки начального положения показывающей стрелки используется корректор 7, находящийся на лицевой панели. Эти приборы выпускаются так же, как тягомеры и тягонапоромеры. Диапазон измерения приборов достигает 25 кПа в соответствии со стандартным рядом при классе точности 1,5; 2,5.

С использованием мембранных чувствительных элементов выпускаются реле (сигнализаторы) напора и тяги типа РД, которые работают в диапазоне от -12 до 12 кПа.

Манометры. Датчики давления

   Приборы для измерения давления называются манометрами. Существуют разнообразные конструкции манометров, которые используются в той или иной области техники и решают задачу определения давления в определенных условиях.

   Достаточно широкое применение нашли пружинные манометры, которые очень широко применяются в машиностроении и других областях.

   В пружинных манометрах мерой измеряемого давления служит упругое перемещение манометрической пружины, передаваемое на стрелочный механизм.

   Применяют упругие мембраны, трубчатые пружины. Упругие элементы манометра изготавливают обычно из латуни, фосфористой бронзы, нейзильбера и др.

   Трубчатые пружины манометров имеют разнообразные формы: пружины растяжения (удлинения), сжатия, пружины изгиба, торсионные, гофрированные трубки, трубки Бурдона и др. В основе работы трубки Бурдона лежит ее овальное сечение. Под действием подаваемого давления овальное сечение стремится приблизиться по форме к кругу, пружина распрямляется и ее свободный конец перемещается. Перемещение передается стрелке прибора.

   С помощью пружинных манометров определяется разность давлений - контролируемого и атмосферного. Абсолютное давление пружинным манометром можно измерять, если поместить трубку Бурдона в вакуум или использовать две трубки Бурдона, в одной из которых вакуум.

Одними из основных погрешностей пружинных манометров являются температурные. Они возникают из-за изменения модуля упругости материала трубки при изменении температуры, теплового расширения.

   Мембранные манометры. Принцип действия манометра основан на измерении деформации гофрированной мембраны, которая нагружается с одной стороны контролируемым давлением. Конструкция показана на рис.1. По классу точности они, как правило, 1.6.

   В мембранных манометрах применяются гофрированные мембраны, так как они имеют большее перемещение, однако они плохо поддаются расчету. Плоские мембраны хорошо рассчитываются, однако тонкие нелинейны, нестабильны и др.

   В манометрах предусмотрена защита от перегрузок. При давлениях, превышающих верхний предел шкалы манометра мембрана должна опираться плоскостью на защитное устройство, повторяющее профиль мембраны манометра.

   Существуют мембранные манометры с электрической системой передачи информации. В них на мембране могут быть приклеены тензорезисторы или сама мембрана изготовлена из полупроводникового материала, на котором сформированы тензочувствительные элементы. Такая конструкция манометра позволяет изготавливать особо малых размеров, диаметром миллиметрового порядка.

Рис.1. Конструкция мембранного манометра:

1- нижний фланец, 2 - присоединительный штуцер, 3 - мембранная камера, 4 - верхний фланец, 5 - мембрана, 6 - соединительный болт, 7 - шаровой шарнир, 8 - тяга, 9 - сегмент, 10 - зубчатое зацепление, 11 - стрелка, 12 - циферблат