Как было отмечено выше, элемент представляет собой преобразователь, на вход которого поступает сигнал x, а на выходе получается сигнал Y. Связь между значениями x и y определяется некоторой зависимостью, которая называется статической характеристикой:

Y = f(x).

Элементы, как и системы, могут работать в различных режимах.

Установившимся называется такой режим работы, при котором расхождение между истинным значением регулируемой величины и ее заданным значением будет постоянным во времени. В установившемся режиме x(t) = const, y(t)=const.

Переход системы от одного установившегося состояния в другое при каких – либо воздействиях называется переходным режимом.

Режим работы элемента при переменных во времени входной и выходной величины называют динамическим.

Свойства элементов определяются рядом характеристик и параметров.

Под характеристикой понимают зависимость одной величины от другой, а под параметром – величину, характеризующую некоторое существенное свойство элемента.

Элементы, имеющие не зависящие от времени параметры и линейные статические характеристики, называются линейными, а имеющие нелинейные характеристики – нелинейными элементами.

К основным характеристикам элементов относятся:

1. Статический коэффициент передачи элемента – отношение выходной величины y к входной величине x: k = y/x. У элементов со статической характеристикой коэффициент передачи – постоянное число. Если входная и выходная величина имеют одинаковую физическую природу, то коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

2. Порог чувствительности – это наименьшее (по абсолютному значению) значение входного сигнала, способное вызвать изменение выходного сигнала. Интервал между значением входного сигнала, не оказывающего воздействия на значение выходной величины, и значением входного сигнала, оказывающего воздействие, называется зоной нечувствительности - X_н. Чем больше X_н, тем хуже элемент.

X₁ x₂

3. Погрешность – это изменение выходного сигнала, возникающее в результате изменения внутренних свойств элемента или изменения внешних условий его работы. Различают следующие виды погрешностей:

• абсолютной погрешностью называют разность между фактическим значением выходного сигналаY_д и его расчетным значением Y: =Y_д – Y. Абсолютная погрешность имеет размерности выходной величины. Она может быть положительной и отрицательной.

• относительной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности к расчетному значению выходного сигналаY: (в относительных единицах) или100%.

Погрешность, которая возникает при нормальных условиях эксплуатации, называется основной погрешностью. Условия эксплуатации элемента не всегда совпадают с нормальными, поэтому к основной погрешности элемента добавляется погрешность, называемая дополнительной.

Динамические параметры и характеристики.

В реальных системах автоматики сигналы от элементов, как правило, бывают непостоянными. Для оценки работы элемента в динамическом режиме используются динамические характеристики и параметры.

Переходный процесс является частным случаем динамического режима. Переходный процесс характеризуется динамическим коэффициентом передачи, переходной характеристикой.

Динамическим коэффициентом передачи называется отношение полного изменения (приращения) выходной величины к полному изменению (приращению) входной величины:

Под переходной характеристикой понимают реакцию системы на единичное ступенчатое воздействие (скачкообразное изменение входной величины).

1(t)

t

Реакция большинства элементов на скачкообразный входной сигнал, т.е. их переходная характеристика, представляет собой нарастающую экспоненту.

y

T

У1 П.реж. У2

T (постоянная времени элемента) – это время, за которое выходная величина достигла бы установившегося состояния, если бы изменялась со скоростью, равной скорости в начальный момент времени t₀. Это время 63% времени, необходимого для достижения установившегося состояния. Чем меньшеT, тем круче переходная характеристика, тем меньше длительность переходного процесса и тем меньше инерционность элемента.

Разные по функциональному назначению элементы имеют неодинаковые динамические свойства, обусловленные разной инерционностью элементов. Инерционность элементов заключается в том, что изменение выходной величины начинается не сразу после изменения входной величины, а с некоторым запаздыванием во времени. Например, при единичном ступенчатом изменении входной величины x за счет инерционности элемента его выходная величина Y достигнет своего установившегося значения не сразу, а только после окончания переходного процесса.

Кривая зависимости Y = f(X) при скачкообразном изменении входной величины является графической интерпретацией решения дифференциального уравнения элемента, которым описывается поведение элемента при переходном процессе, где входные и выходные сигналы являются функциями времени.

Различные элементы автоматики имеют различные графики переходных процессов, т.к. поведение элементов при единичном ступенчатом воздействии на них описывается различными дифференциальными уравнениями.

X, y

y

x

t

Переходный процесс без запаздывания.

На рисунке 2 показан переходный процесс элементов, обладающих инерцией. Постоянная времени T определяется расстоянием от начала координат до точки пересечения касательной к кривой переходного процесса в начальный момент времени (т.е. в начале координат) с установившимся значением выходного сигнала Y_уст.

Занятие № 3 Датчики.

1. Общие характеристики датчиков.

2. Классификация датчиков.

3. Параметрические датчики активного сопротивления.

4. Параметрические датчики реактивного сопротивления.

Датчик - это устройство, преобразующее контролируемую величину в такой вид сигнала, который более удобен для воздействия на последующие элементы автоматики.

В общем виде датчик можно представить в виде чувствительного элемента ЧЭ и преобразователя Пр.

ЧЭ

Пр

X x1 y

Д

Чувствительный элемент в системах автоматики выполняет функции «органов чувств». Он предназначен для преобразования контролируемой величины x в такой вид сигнала x₁, который удобен для измерения. В преобразователе происходит преобразование неэлектрического сигнала x₁ в электрический сигнал y.

На вход датчика могут поступать как неэлектрические сигналы, так и электрические. С выхода датчика обычно получают электрические сигналы. Это вызвано тем, что электрический сигнал проще усиливать и передавать на различные расстояния.

Общими характеристиками датчиков являются: статическая характеристика; инерционность; динамическая чувствительность (К_дин), порог чувствительности, погрешность, мощность, выходная мощность и выходное сопротивление датчика.

Инерционность характеризуется отставанием изменения выходной величины y от изменений входной величины x.

В настоящее время наибольшее распространение получили электрические датчики, которые можно подразделить на пять групп. (Схема классификации основных электрических датчиков). К электрическим датчикам предъявляются следующие требования:

• непрерывная и линейная зависимость выходной величины y от входной величины x;

• высокая динамическая чувствительность (К_дин);

• малая инерционность;

• наименьшее влияние датчика на измеряемый или регулируемый параметр;

• надежность в работе;

• применимость к используемой измерительной аппаратуре и источникам питания;

• наименьшая себестоимость;

• минимальная масса и габариты.

Схема классификации основных электрических датчиков

Электрические датчики

С промежуточным

преобразованием

параметрические

генераторные

сельсинные

Вращающиеся

трансформаторы

Активного сопротивления

Реактивного

сопротивления

индуктивные

емкостные

тахометрические

термоэлектрические датчики давления

пьезоэлектрические датчики линейного ускорения

фотоэлектрические

контактные

тензорезисторы

потенциометры

терморезисторы

фоторезисторы

ионные

Параметрические датчики служат для преобразования неэлектрического контролируемого или регулируемого параметра в параметры электрической цепи (сопротивление, индуктивность, емкость). Эти датчики получают электрическую энергию от вспомогательного источника энергии.

A

X y

У параметрических датчиков (или датчиков – модуляторов) энергия входа воздействует на вспомогательную электрическую цепь, изменяя ее параметры и модулируя значения и характер изменения тока или напряжения от постороннего источника энергии. Благодаря этому одновременно усиливается сигнал, поступивший на вход датчика. Наличие постороннего источника является обязательным условием работы датчика – модулятора.

Генераторные датчики являются просто преобразователями. Они предназначены для преобразования неэлектрического контролируемого или регулируемого параметра в ЭДС. Эти датчики не требуют постороннего источника энергии, так как сами являются источниками ЭДС.

Параметрические датчики активного сопротивления широко применяются в автоматике.

Контактные датчики

Контактным датчиком называется датчик, в котором механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих одной или несколькими электрическими цепями. При замыкании контактов активное сопротивление между ними изменяется от бесконечности до небольшого значения, а при размыкании контактов оно изменяется в обратном направлении, т.е. от небольшого значения до бесконечности.

Направление Контакты

движения

щупа К управляемой цепи

направление

движения

ленты

а)

Б)

А) – контакты разомкнуты;

Б) – контакты замкнуты.

На рисунке изображен простейший контактный датчик, контакты которого замыкаются или размыкаются при перемещении щупа, осуществляющего контроль толщины прокатываемой ленты. Особенностью измерения с помощью контактных датчиков является дискретность измерения (измерение происходит в отдельные моменты времени, а не непрерывно), так как контакты замыкаются и размыкаются при определенном положении щупа. Контакты являются самой важной частью датчика. Чем меньше мощность, разрываемая контактами, тем меньше происходит обгорание контактов и тем выше точность работы датчика. В качестве материала для контактов применяют серебро, вольфрам, золото, платину, сплавы платины с иридием. Контактные датчики позволяют сигнализировать перемещение с точностью до 1 – 2 мкм.

К достоинствам этих датчиков относятся простота конструкции и сравнительно высокая точность, а к недостаткам – обгорание контактов и необходимость подрегулировки контактов.

Реостатные и потенциометрические датчики.

Служат для преобразования углового или линейного перемещения в электрический сигнал. Обычно они представляют собой проволочный реостат, ползунок которого перемещается под воздействием контролируемого или регулируемого параметра. Конструктивно реостатные и потенциометрические датчики состоят из каркаса, намотанной на него проволоки и ползунка. Каркас датчиков изготовляется из текстолита, пластмассы и алюминиевых сплавов, покрытых изоляционным лаком. Такие каркасы более теплоустойчивы, что дает возможность повысить мощность тока в обмотке и повысить чувствительность преобразователя. Каркасы могут выполняться в виде цилиндрической или плоской пластины, в виде кольца или сегмента.

3

L 2

4

1

На каркас намотана в один ряд тонкая проволока. По виткам проволоки 4 скользит щетка 3, называемая движком потенциометра, которая механически связана с объектом, перемещение которого нужно измерить. От конца намотки и от движка сделаны электрические выводы 1, 2, 3, с помощью которых датчик включается в схему.

При перемещении движка потенциометра от вывода 1 к выводу 2 щетка переходит от одного витка намотки на другой. При этом длина проволоки между движком и выводом 1 увеличивается, а между движком и выводом 2 уменьшается. За счет этого сопротивление между выводами 3 и 1 увеличивается от 0 до R, а между выводами 2 и 3 – уменьшается от R до 0, где R – сопротивление проволоки, намотанной на каркас. По изменению этих сопротивлений можно определить перемещение L. Потенциометр включается по схеме делителя напряжения.

R-R_x

U L

R_x x U_вых

Выходное напряжение потенциометра в режиме холостого хода, когда нагрузка не подключена, определяется по следующей формуле:

,

где U – напряжение питания датчика;

I – ток, который протекает по датчику;

R_X – сопротивление питания датчика;

R – полное сопротивление датчика.

,

где x – перемещение ползунка датчика;

L – длина обмотки датчика.

Подставив в формулу для U_вых, получим:

,

где K = U/L – коэффициент передачи.

Отсюда следует, что статическая характеристика потенциометра представляет собой линейную зависимость между выходным напряжением датчика U_вых и перемещением ползунка x.

U_вых

U_вых = f(x)

x

Рассмотренный датчик является однотактным, так как дает возможность измерять перемещение ползунка x только одного знака. В технике также применяется двухтактный или реверсивный датчик, реагирующий на знак перемещения. Для построения указанного датчика необходимо сделать отвод от средней точки обмотки датчика.

U_вых

L/2

U_вых +x

-x -x x

L/2 U_вых

-U_вых

Для уменьшения скачков и зон нечувствительности при намотке используется тонкий провод диаметром 0,03-0,05 мм с малым температурным коэффициентом сопротивления (нихром, константан, манганин).

К достоинствам потенциометрических датчиков можно отнести: конструктивную простоту, малую массу и небольшие габариты, возможность питания переменным и постоянным током, простоту регулировки и высокую стабильность.