Лабораторна робота № 1 Дослідження датчиків систем автоматики та управління

Мета роботи. Вивчити конструкцію і принцип роботи найпростіших механічних та електричних датчиків і дослідити їх основні характеристики.

1 Короткі теоретичні відомості

Елементом автоматики і систем управління називається найпростіший автоматичний пристрій, що перетворює вхідний сигнал x(t) у вихідний сигнал y(t). Перетворення сигналів може бути кількісним, якісним та інформаційним. При якісному перетворенні перетворюється рід енергії, а сигнали x(t) і y(t) мають різну розмірність. Таке перетворення виконують датчики, двигуни, генератори та інші пристрої.

У залежності від виконуваних функцій у структурі систем автоматики й управління (САУ) елементи підрозділяються на початкові або вимірювальні, проміжні або керуючі, кінцеві або виконавчі. Вимірювальні елементи, що представляють собою вимірювальні перетворювачі, розташовуються на входах автоматичних систем і складають основну масу елементів для попередньої обробки контрольної або вимірювальної інформації. Це різноманітні датчики, що реагують на зміну зовнішніх і внутрішніх параметрів. Наприклад, у системах залізничної автоматики застосовуються датчики контролю справності ламп світлофорів, положення стрілок та інші.

Оскільки автоматичні системи всю зовнішню інформацію одержують від датчиків, то від точності і надійності їх роботи значною мірою залежать відповідні характеристики роботи системи в цілому. Тому датчики повинні мати високу чутливість і точність, тривалий термін служби і безвідмовність у роботі, малі розміри і масу, низьку вартість.

У загальному розумінні датчик – це пристрій для вимірювання або контролю тієї або іншої величини, який являє собою конструктивну сукупність ряду вимірювальних перетворювачів, розміщуваних безпосередньо біля об'єкта вимірювання.

У більшості випадків датчик містить сприймальну і виконавчу частини. Сприймальна частина реагує на зміну вхідної величини x(t), перетворює її в деяку проміжну величину z(t), що діє на виконавчу частину датчика для формування вихідного сигналу y(t). Отже, датчик САУ можна визначити як елемент, призначений для перетворення вхідної, у загальному випадку не електричної величини x(t), що є необхідним параметром для системи, у вихідну електричну величину y(t), зручну для введення в систему.

У залежності від фізичної природи вхідної величини x(t) розрізняють електричні, теплові, механічні, оптичні, акустичні, рідинні, газові та інші датчики. Електричні датчики вимірюють струм, напругу, потужність, частоту, магнітний потік; теплові датчики – температуру і кількість теплоти; механічні – силу, тиск, переміщення, швидкість, прискорення; оптичні – силу світла, освітленість; акустичні – звуковий тиск, частоту і потужність звука; рідинні і газові – тиск і швидкість.

Датчики, що перетворюють зміну вхідної величини x(t) у зміну первинних параметрів L(t), R(t), C(t) електричного кола, називаються параметричними. Для формування вихідної величини y(t) параметричним датчикам необхідні зовнішні джерела електроживлення. До параметричних датчиків відносяться реостатні, індуктивні і ємнісні датчики.

Датчики, що безпосередньо перетворюють вхідну величину x(t) у зміну вихідної електрорушійної сили e(t), називаються генераторними. Вони не потребують зовнішніх джерел електричної енергії. Прикладами генераторних датчиків можуть бути: термопара, вихідна електрорушійна сила (е.р.с.) якої пропорційна різниці температур гарячого і холодного спаїв; напівпровідникові фотоелементи, е.р.с. на електродах яких є функцією величини освітленості запираючого прошарку; тахогенератор, е.р.с. на виході якого визначається швидкістю обертання первинних валів різноманітних механізмів.

У залежності від числа перетворень вхідної величини x(t), що відбуваються в датчику, розрізняють датчики з безпосереднім і з проміжним перетворенням. У датчиках із безпосереднім перетворенням вхідна величина x(t) безпосередньо перетворюється у вихідну величину y(t). У датчиках із проміжним перетворенням може відбуватися декілька перетворень вхідної величини. Такі датчики складаються із послідовно сполучених декількох датчиків із безпосереднім перетворенням.

У залежності від виду перетворення датчики поділяються на два класи: з неперервним і з дискретним перетворенням. Датчики з неперервним перетворенням є вимірювальними. У них неперервному значенню вхідної величини x(t) відповідає неперервна зміна вихідної величини y(t). Датчики з дискретним перетворенням контролюють стан дискретних об'єктів, що мають кінцеве число станів. Більшість контрольованих об'єктів САУ є двопозиційними і мають два стани – “включений” і “ виключений”. Тому дискретні датчики звичайно є датчиками двійкової інформації, у яких y(t) = 0 або y(t) = 1.

Реостатний датчик. Реостатний (резисторний) датчик перетворює лінійне або кутове переміщення механізмів у зміну активного опору. Для цього механічна вхідна величина діє на движок D змінного резистора R_Д, що підключений за схемою потенціометра до джерела напруги живлення U_п (рис. 1).

Вхідна величина x(t) (кут повороту α(t) осі движка змінного резистора) перетворюєься в зміну опору R_Х, що призводить до еквівалентної зміни струму навантаження I_Н, який розраховується за формулою

,

(1)

де R_Н – опір навантаження в колі амперметра.

При R_Н>>R_Д струм I_Н змінюється майже пропорційно зміні R_Х, тобто пропорційно кутовому переміщенню движка потенціометра α(t).

Індуктивний датчик. Індуктивний датчик – це параметричний датчик, у якого вхідною величиноюx(t)є лінійне переміщенняδ(t), пов'язане з рухом сталевого осердя в котушці, яка живиться змінним струмом (рис.2).

При цьому лінійне переміщення перетворюється в зміну індуктивності котушки L_К, що призводить до зміни індуктивного опоруX_Lі, відповідно, струму навантаженняI_Ну вихідному колі, який визначається за формулою

,

(2)

де R_Ц = R_К + R_Н – активний опір у колі амперметра;

ω = 2πf – кругова частота напруги живлення.

При втягненому осерді індуктивність котушки максимальна, а струм мінімальний; при висунутому осерді індуктивність котушки мінімальна , а струм максимальний. Таким чином, величина струму I_Н у вихідному колі датчика залежить від лінійного переміщення α(t).