Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ |
|||
|
Херсонська державна морська академія |
|||
|
факультет суднової ЕНЕРГЕТИКИ |
|||
|
КАФЕДРА ЕКСПЛУАТАЦІЇ СУДНОВОГО ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ І ЗАСОБІВ АВТОМАТИКИ |
|||
|
Шифр № |
|||
|
Реєстр. № |
|||
|
конспект лекцій |
|||
|
(частина 2) |
|||
|
з дисципліни |
«Системи управління енергетичними та загальносудновими установками» |
||
|
підготовки бакалавра |
|||
|
галузь знань |
0507 Електротехніка та електромеханіка |
||
|
напрям підготовки |
6.050702 Електромеханіка |
||
|
спеціалізація |
«Експлуатація електрообладнання і автоматики суден» |
||
|
курс |
ІV / V |
||
|
форма навчання |
денна / заочна |
||
|
Херсон - 2012 |
|||
|
Конспект лекцій (частина 2) з дисципліни «Системи управління енергетичними та загальносудновими установками» розробив у відповідності з навчальним планом і галузевим стандартом вищої освіти підготовки бакалавра за напрямом підготовки 6.050702 «Електромеханіка», спеціалізацією «Експлуатація електрообладнання і автоматики суден» старший викладач кафедри експлуатації суднового електрообладнання і засобів автоматики, к.т.н. Тіщенко О. Ю. – Херсон: ХМДА, 2012. – 67с. (російською мовою) |
|||
|
Конспект лекцій розглянуто на засіданні кафедри експлуатації суднового електрообладнання і засобів автоматики « » 2012 р., протокол № |
|||
|
|
|||
|
Начальник навчально-методичного відділу |
В.В. Черненко |
||
|
«_____» ______________ 2012 р. |
|||
|
Завідувач кафедри експлуатації суднового електрообладнання і засобів автоматики, д.т.н., професор |
Є.О. Ісаєв |
||
|
« » 2012 р. |
Содержание
|
Введение |
4 |
|
|
Лекция №9 |
Характеристики датчиков и линии связи измерительных устройств. |
5 |
|
Лекция №10 |
Датчики температуры систем автоматики. |
13 |
|
Лекция №11 |
Датчики давления в системах автоматики. |
20 |
|
Лекция №12 |
Датчики расхода жидкости и газа. |
27 |
|
Лекция №13 |
Датчики положения и перемещения. |
34 |
|
Лекция №14 |
Первичные преобразователи (датчики) уровня. |
42 |
|
Лекция №15 |
Исполнительные устройства систем автоматики (электромагнитные устройства) |
48 |
|
Лекция №16 |
Исполнительные устройства систем автоматики (исполнительные электрические двигатели) |
58 |
|
Список использованной литературы |
66 |
Введение
Дисциплина "Системы управления энергетическими и общесудовыми установками" относится к циклу профессионально-практической подготовки и является одной из профилирующих, которые обеспечивают подготовку бакалавров по специальности "Электромеханика" и специализации "Эксплуатация электрооборудования и автоматики суден".
Основная цель дисциплины изучение технических характеристик и параметров систем управления энергетическими и общесудовыми установками. Раскрытие современных научных концепций, понятий и методов построения автоматизированных систем управления энергетическими и общесудовыми установками (СУЭОСУ). Изучение теории и практики эксплуатации СУЭОСУ, а также особенностей их работы при разных условиях и режимах.
Изучение дисциплины нуждается в знаниях из таких дисциплин, как: "Физика", "Высшая математика", "Теория автоматического управления", "Теоретические основы электротехники", "Электрические машины", "Судовые электроэнергетические системы", "Элементы и функциональные устройства судовой автоматики", "Микропроцессорные управляющие системы", и т.п..
Задача курса
Методическими задачами изучения учебной дисциплины являются формирование знаний и умений, которые позволяют:
- эффективно решать вопрос технической эксплуатации СУЭОСУ;
- давать оценку отдельным подсистемам судовых СУЭОСУ и интерфейсам их взаимодействия;
- подбирать датчики, которые работают в составе судовых СУЭОСУ.
Познавательные задачи курса
Курсант (студент) в результате изучения дисциплины должен знать:
- назначение, основные требования, принципы действия и построение судовых СУЭОСУ;
- методики расчета и разработки схем СУЭОСУ;
- режимы работы и характеристики судовых СУЭОСУ;
Практические задачи курса
Курсант(студент) в результате изучения дисциплины должен уметь:
- пользоваться технической, учебной литературой, справочной и нормативно- технической документацией при техническом использовании и обслуживании СУЭОСУ;
- грамотно использовать контрольно-измерительную и сигнальную аппаратуры для диагностики состояния систем, своевременно принимать необходимые меры по устранению неисправностей и дефектов.
Лекция №9.
Тема лекции: Характеристики датчиков и линии связи измерительных устройств.
Цель лекции: Анализ характеристик датчиков, важных при подборе допустимых замен в процессе эксплуатации и особенностей различных линий связи, через которые они подключаются к средствам управления.
Датчики предназначены для преобразования физической величины в электрический сигнал, который вводят в управляющее устройство. Датчик содержит чувствительный и преобразующий элементы, к которым подводится напряжение питания Uп (рис. 9.1). Напряжение на выходе преобразователя Uвых зависит от физической величины.
Рисунок 9.1. Структура преобразователя физической величины в электрический сигнал
Выходной сигнал датчика может быть трех видов (рис. 9.2):
– аналоговый, пропорциональный физической величине;
– цифровой, при котором значения аналоговой величины преобразуются в цифровую форму, например в цифровом приборе;
– бинарный, при котором каждому значению физической величины соответствует комбинация нулей и единиц.
а б в
Рисунок 9.2. Форма выходного сигнала датчика:
а – аналоговый; б – цифровой; в – бинарный
Следует различать применение датчиков в задачах диспетчерского контроля и автоматического управления процессом (рис. 9.3). В задачах контроля (рис. 9.3, а) диспетчер с помощью датчиков оценивает ход технологического процесса Y(t) и корректирует управляющее воздействие X(t). От датчиков не требуется высокой точности, поскольку неточная информация о процессе компенсируется опытом диспетчера. В задачах автоматического управления (рис. 9.3, б) датчики должны соответствовать специальным требованиям по погрешности, разрешающей способности, чувствительности, линейности и времени отклика, поскольку их сигналы должны быть согласованы с системой автоматического управления.
а б
Рисунок 9.3. Режимы управления процессом производства:
а – диспетчерский контроль; б – автоматическое управление
Погрешность измерения – это максимальная разность между измеренной и действительной физической величиной. Если измеритель перемещений имеет погрешность ±2 мм, то любое измерение может отличаться от действительной величины до 2 мм в ту или иную сторону. Часто погрешность выражают в процентах по отношению к полной шкале и называют приведенной погрешностью.
Разрешающая способность показывает наибольшую точность, с которой измеряют величину. Она меньше погрешности и равна разности между соседними отсчетами измерения. Например, разрешающая способность линейки с делениями через 1 мм равна 1 мм.
Чувствительность – это отношение изменения выходного сигнала преобразователя к изменению входного сигнала. Если при перемещении объекта на 10 мм выходной сигнал изменяется от 10 до 100 В, то чувствительность преобразователя равна
(100 – 10) : 10 = 9 В/мм.
Линейность является важнейшей характеристикой преобразователя. При линейной характеристике (рис. 9.4,а) выходная и входная величины связаны постоянным коэффициентом, поэтому для формирования сигнала можно применять простые усилители. Линейная характеристика имеет предел, после которого выходная величина не реагирует на изменение входной величины. При нелинейной характеристике (рис. 9.4, б) приходится разрабатывать специальный нелинейный преобразователь сигнала датчика. Иногда нелинейную характеристику линеаризуют – представляют в виде последовательности линейных характеристик на ограниченных участках 0 – X1, X1 – X2 (рис. 9.4, в).
Рисунок 9.4. Характеристики преобразователя:
а – линейная; б – нелинейная; в – линеаризованная
Гистерезис показывает, что выход преобразователя зависит от того, увеличивается или уменьшается входная величина (рис. 9.5). В этом случае оценивают ширину петли гистерезиса с, которая показывает, какие значения принимает выходная величина y при одном и том же значении входной величины x, но разном направлении ее изменения.
Рисунок 9.10. Гистерезис
Повторяемость показывает, что каждому значению входного сигнала соответствует одно и то же значение выходного сигнала преобразователя.
Время отклика t равно времени, через которое выходная величина y достигнет установившегося значения после изменения входной величины x (рис. 9.6).
Рисунок 9.10. Время отклика
Полоса преобразования характеризует полосу частот входного сигнала, которую пропускает преобразователь. Чем шире полоса преобразования, тем меньше время отклика.
По принципу связи физической величины с электрическим сигналом датчики ведут абсолютный или относительный отсчет. В первом случае каждому значению физической величины соответствует свое значение электрического сигнала. Во втором случае ведут отсчет от некоторого значения физической величины, считая его нулевым значением.
По виду взаимодействия с объектом датчики могут быть контактными и бесконтактными. В первом случае чувствительный элемент датчика механически взаимодействует с объектом, а во втором механического контакта нет.
Выходной сигнал датчика подается на вход обрабатывающего устройства, например на входную клемму контроллера. для корректной передачи сигнала между ними должны быть согласованы диапазоны и уровни сигналов, входные и выходные сопротивления.
Большинство датчиков, применяемых в системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Как правило, при управлении измеряются следующие физические величины:
Линии связи для измерительных устройств с аналоговыми выходными сигналами.
Линия связи измерительного устройства выполняет функции:
При подключении измерительных устройств с аналоговыми выходными сигналами применяют: четырехпроводные, трехпроводные и двухпроводные линии связи.
Использует два отдельных провода для передачи питания и два отдельных провода для передачи информационного сигнала. На рис. 9.7. в верхней части условно изображен измерительный преобразователь, кабель связи, вторичный преобразователь в виде измерителя-регулятора, в нижней части структурная схема четырехпроводного подключения измерительного устройства.
Обозначения:
ИУ – измерительное устройство;
ВП – вторичный преобразователь;
х – измеряемый физический параметр;
ИП – измерительный преобразователь;
ИЭП – источник электропитания;
УОИ – устройство обработки информации;
UП – напряжение питания;
Между ИУ и ВП имеются линии связи (ЛС).
Обозначение трансформатора указывает на возможность применения гальванического разделения по питанию.
Рисунок 9.7. Четырехпроводная линия связи.
Достоинства:
Недостатки: высокая стоимость линии связи.
Использует один отдельный провод для передачи питания, один отдельный провод для передачи информационного сигнала и один провод общий. На рис. 9.8 в верхней части условно изображен измерительный преобразователь, кабель связи, вторичный преобразователь в виде измерителя-регулятора, в нижней части структурная схема трехпроводного подключения измерительного устройства.
Рисунок 9.8. Трёхпроводная линия связи
Изображенная на рис.9.8 линия связи используется для передачи сигналов напряжений. В данном случае общая шина является проводником передачи электрической мощности к измерительному преобразователю и также является проводником для передачи информационного сигнала. Из-за этого общий провод может являться источником погрешности, так как ток питания создает падение напряжения на сопротивлении этого провода.
Измерительное устройство преобразует входную физическую величину х в сигнал тока на выходе. Стабилизация тока Jc на выходе осуществляется с помощью датчика тока Rос, формирующего сигнал обратной связи (ОС). Управляя транзистором (см. рисунок выше), его током базы, ИП регулирует ток Jc. На стороне вторичного преобразователя ток сигнала Jc преобразуется в напряжение сигнала для УОИ. Пример реализации трёхпроводной линии связи приведен на рис. 9.9. Ток сигнала протекает по проводу +UП и возвращается по проводу Jc через нормирующий резистор RН. На стороне вторичного преобразователя нормирующее сопротивление RН преобразует сигнал тока в сигнал напряжения.
Достоинство трехпроводной линии связи в том, что она получается дешевле, позволяет передавать любые аналоговые стандартные электрические сигналы, меньшее количество проводов, а недостаток в том, что невозможно применить гальваническое разделение сигнальных и питающих цепей, так как они используют общие провода.
Использует только два провода для передачи питания датчику и одновременно для передачи информационного сигнала в устройства обработки информации. На рис. 9.10 изображена структурная схема двухпроводного подключения измерительного устройства.
Работа схемы:
Измерительное устройство при нулевом входном физическом воздействии формирует сигнал 4мА, соответствующий нулевому значению выходного информационного сигнала. При изменении измеряемой физической величины от нуля (начало) до максимума диапазона измерения токовый сигнал на выходе изменяется от 4 мА до 20 мА. Схема измерения выходного тока измерительного преобразователя снимает сигнал с Rос вычисляет рассогласование и формирует управляющий
сигнал на транзистор для стабилизации требуемого тока (преобразователь компенсационного типа). Нулевой сигнал 4 мА может складываться как сумма токов Х мА – ток через ИП и ток через сопротивление обратной связи RОС, равный также Y мА, которые в сумме дадут 4 мА. При изменении измеряемой физической величины изменится и ток на выходе. Например, при увеличении входного Рисунок 9.10. Двухпроводная линия связи. физического параметра до 50% от диапазона,
выходной ток будет равен 12 мА, и будет стабилизироваться схемой компенсационного типа на данном уровне. Это значит, что возникает дополнительный ток через транзистор, равный 8 мА.
Rн необходим для преобразования тока в напряжение. В качестве него применяется резистор, имеющий стабильное сопротивление, мало зависящий от температуры, влажности, не подвержен старению и т. д. Например, берется резистор по ГОСТу номиналом 200..250Ом.
Достоинства: данная схема использует минимальное количество проводов.
Недостатки:
Несмотря на указанные недостатки, двухпроводное включение измерительных устройств широко распространено. Это связано также с популярностью стандарта 4-20 мА.
Линии связи измерительных устройств с сигналами тока и с сигналами напряжения отличаются друг от друга тем, что возмущающие факторы внешней среды оказывают на них разное воздействие.
Представим линию связи с сигналом напряжения схемой замещения рис. 9.11.
Здесь UC – выходной сигнал измерительного устройства, а а Uвых – напряжение на выходе ЛС, или сигнал на входе устройства обработки информации. Rн – сопротивление приемника. В схеме протекают токи: Iвых – ток протекающий через нагрузку (через УОИ), Iу – ток утечки, протекающий как правило через изоляцию кабелей.
Ес – источник сигнала;
Rвн – внутренне сопротивление источника сигнала, у идеального источника напряжения Rвн →0, у реального оно составляет 1 ÷ 10 Ом;
Rлс (сопротивление линии связи) – 0 ÷ 10 Ом;
Rу (сопротивление утечки) – 1МОм и более;
Rн(сопротивление нагрузки) – 10Ком и более;
Выражение для Uвых: ,
где ε – ЭДС источника;
- потенциальные Рисунок 9.11. Влияние сопротивлений источники погрешности, т.к. создают падения
линии связи и утечки напряжения в цепи сигнала.
Эти составляющие необходимо минимизировать. Рассмотрим их влияние.
Ry – сопротивление изоляции как правило существенно выше Rн, следовательно Jу <Jвых и погрешность от утечки в линии связи по напряжению незначительна.
Rвн – определяется производителем/разработчиком измерительного устройства, при номинальном значении Jвых и при Jу <Jвых погрешность от Rвн не выходит за пределы основной погрешности измерительного устройства.
Rлс – определяется сечением, материалом, протяженностью проводника, качеством электрических контактов. Rлс может быть источником погрешности при использовании сигналов напряжения. Учитывать и компенсировать Rлс удается не всегда, т.к. на сопротивление провода оказывает влияние окружающая температура.
Jвых – ток через нагрузку, определяется в основном значением Rн, если выбирать Rн выше, то Jвых соответственно будет ниже, и нежелательные падения напряжения в цепи сигнала тоже будут меньше.
Линия связи представляет собой электрически замкнутую цепь, электрический контур. Электромагнитные волны вызывают возникновение ЭДС помехи в контуре, а следовательно возникает и ток помехи. Этот ток протекая по элементам контура создает падения напряжений. Чем выше сопротивление элемента контура, тем выше падение напряжения, тем выше рассеиваемая мощность помехи на этом элементе. В линии связи по напряжению самое высокое сопротивление у Rн, т.е. самое высокое падение напряжения. Отсюда можно сделать вывод, что линии связи по напряжению чувствительна к электромагнитным помехам. А т.к. площадь контура зависит от протяженности линии связи, то, чем протяженнее линия связи, тем больше помех она «собирает».
Представим линию связи с сигналом тока схемой замещения рис. 9.13.
Rвн – внутренне сопротивление источника сигнала, у идеального источника тока Rвн → ∞, у реального оно составляет 10000 ÷ 1000000 Ом;
Rлс (сопротивление линии связи) – 0 ÷ 10 Ом;
Rу (сопротивление утечки) – 1МОм и более;
Rн(сопротивление нагрузки) – 100 – 500 Ом, типовое значение 250 Ом;
Здесь Uс – выходной сигнал измерительного устройства, а Uвых – напряжение на выходе ЛС, или сигнал на входе устройства обработки информации.
В схеме протекают токи: Iвых – ток на выходе ЛС, протекающий через нагрузку (через УОИ), Iу – ток утечки, протекающий как правило через изоляцию кабелей.
Влияние сопротивлений линии связи и утечки
Выражение для Uвых:
, Rн в данном случае нормирующий резистор, преобразующий ток в напряжение. Его точность и стабильность пропорционально отражаются на сигнале.
Из представленных выражений видно, что Uвых не зависит от Rлс (0 ÷ 10 Ом). Погрешность может внести завышенный ток утечки, обусловленный низким сопротивлением изоляции. Снижение сопротивления изоляции может возникнуть из за воздействия факторов окружающей среды и нарушения условий эксплуатации (перепады температур, влажность, механические повреждения изоляции…).
Влияние ЭДС помехи на сигнал тока незначительно ввиду того, что сопротивление приемника много меньше сопротивления источника сигнала.
Схема подключения в случае линии связи по напряжению выглядит следующим образом:
Рисунок 9.14. Линия связи по напряжению.
Потребители П1, П2,…,ПN подключены к источнику напряжения параллельно. Количество потребителей ограничено условием: общее суммарное сопротивление, соединенных параллельно потребителей, не должно быть меньше сопротивления, дающего предельную погрешность при передаче сигнала.
Позволяют подключать в параллель большое число приемников (П), питающихся от одного источника питания или приемников с единой сигнальной землей, что упрощает решение задачи, обеспечение надежности без применения дополнительных технических средств.
Преимущества:
Схема подключения в случае линии связи по току выглядит следующим образом:
ИП – измерительный преобразователь, который является источником сигнала;
ИЭП – источник электропитания;
П1, П2,…,ПN – приемники.
Поскольку приемники включаются последовательно, то у каждого есть своя сигнальная земля. Следовательно, цепи приемников, кроме сигнальной, должны быть гальванически развязаны. У каждого приемника должен быть свой изолированный от остальных вторичный источник питания. Если вышел из строя
Рисунок 9.15. Линия связи по току. хотя бы один приемник, цепь (схема) теряет
свою работоспособность. Однако, можно поставить ключ к каждому приемнику, тогда схема продолжит свою работу. Еще один вариант решения – включить стабилитрон.
Для того, чтобы при выходе из строя, извлечении, отсоединении одного из приемников линия связи не теряла свою работоспособность, параллельно приемникам включают стабилитроны, такие, чтобы напряжение стабилизации стабилитрона было больше или равно максимальному падению напряжения на приемнике.
Общее число приемников ограниченно условием: сумма падений напряжений на приемниках и на ИП должно быть меньше напряжения питания линии связи.
Кроме того, каждый приемник должен иметь источник питания, гальванически не связанный с цепями ИП и источниками питания других приемников.
Для того чтобы при выходе из строя одного из приемников (извлечении или отсоединении) линия связи не теряла работоспособность, параллельно каждому приемнику включен стабилитрон UCT≥ UП1.
В данной схеме информационный сигнал передается на расстояние с помощью сигнала тока. Нормирующее сопротивление преобразует сигнал тока в сигнал напряжения. Дальнейшее распределение сигнала на приемники П1…ПN производится с помощью линии связи по напряжению. Потребители должны иметь большие сопротивления.
- ток источника тока.
Сумма входных проводимостей приемника должна быть много меньше проводимости Rн.
Ограничения:
Комбинированная линия связи совмещает достоинства токовой линии связи и линии связи по напряжению.
Стандартные аналоговые сигналы информационного обмена.
Электрические сигналы получили наибольшее распространение, так как по сравнению с другими сигналами позволили получить высокую скорость и точность передачи информации при относительно низкой стоимости прокладки и монтажа линий связи.
Выделяют следующие стандарты:
- унифицированные сигналы постоянного тока:
0..5мА
0..20мА
4..20мА (очень распространенный стандарт, международный стандарт)
Особенность последнего стандарта в том, что работает в двухпроводной линии связи и зачастую применяется на взрывоопасных и пожароопасных объектах.
- унифицированный сигнал постоянного напряжения:
0..±5В
0..±10В
- сигналы частоты:
4..8кГц
- унифицированные сигналы переменного напряжения:
0..2В
- дискретный электрический сигнал:
1~24В±15%
0~(0..2.5)В±10%
Лекция №10.
Тема лекции: Датчики температуры систем автоматики.
Цель лекции: Изучение особенностей применения в электронных средствах управления различных типов датчиков температуры.
Зависимость свойств многих материалов от температуры не всегда является недостатком - из таких материалов изготавливаются датчики температуры. Конструкция выбирается таким образом, чтобы усилить температурную зависимость какой-либо электрической характеристики. Эта зависимость, как правило, является нелинейной, что создает дополнительные трудности при ее воспроизведении. Обычно применяются следующие типы датчиков температуры:
Первый термоэлемент был создан в 1887 году французским ученым Ле Шателье (Ie Chatelier). В термоэлементе две точки контакта А и В соединены двумя параллельными проводами, выполненными из разных металлов (например, алюминий и медь). Таким образом создается замкнутая цепь.
Принцип работы термоэлемента. Если температуры точек А и В различаются, то по замкнутой цепи циркулирует ток. На рис. 10.1,б
а) б) показана реальная цепь для измерения этого Рисунок 10.1 Термопара тока. Точка А соответствует "горячему" спаю, а
В и С — холодному. Точки В и С должны иметь одинаковую температуру. До тех пор пока температуры в точках А и В одинаковы, ток в цепи не протекает. Если температуры в точках А и В отличаются, то по цепи начинает протекать электрический ток. Это явление называется термоэлектрическим эффектом или эффектом Сибека (Seebeck), по имени открывшего его в 1821 году исследователя. Эта так называемая термоэлектродвижущая сила увеличивается как функция разности температур. Возникающее напряжение лежит в пределах нескольких милливольт, что требует применения дополнительной очень чувствительной - и поэтому сравнительно дорогостоящей — электронной измерительной аппаратуры. Из-за низкого уровня сигнала следует тщательно выбирать процедуру передачи и соединительные провода. Необходимо иметь в виду, что термоэлемент измеряет разность температур, а не ее абсолютное значение, поэтому температура одного из контактов должна быть известна с высокой точностью. Для различных температурных диапазонов используются разные сочетания металлов. Термоэлементы весьма надежны и недороги, имеют малую теплоемкость и способны работать в широком диапазоне температур.
Международная электротехническая комиссия (МЭК, International Electrotechnical Commission - IEC) определила некоторые стандартные типы термоэлементов (стандарт IEC 584-1). Элементы имеют индексы R, S, В, K.J, Е, Т в соответствии с диапазоном измеряемых температур.
В промышленности термопары используют для измерения высоких температур, до 600 -1000 - 1500˚С. Промышленная термопара состоит из двух тугоплавких металлов или сплавов в качестве таких металлов могут использоваться, например, медь и константан.
При изготовлении термопары можно спаивать, а не сваривать концы проводников, а также использовать удлинительные провода для подключения термопар к измерительным приборам. Поэтому можно использовать медные провода на больших расстояниях, что экономически выгодно!
Способы измерения или стабилизации холодного спая называются компенсацией холодного спая. Один из способов – самый старый – это помещать холодный спай в нулевую температуру – тающий лёд. Другой способ: ставят дополнительный датчик температуры рядом с холодным спаем, измеряют температуру и вводят компенсацию к холодному спаю.
Часто встречающиеся типы термопар:
Выбор металлов стандартных термопар осуществляется исходя из следующих факторов:
Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления т. е. с увеличением температуры сопротивление проводника растет. Это свойство используется в резистивных детекторах температуры.
Резистивные детекторы температуры (resistance temperature detector -RTD) обычно выполняются из платиновой проволоки. Сопротивление RT является практически линейной функцией температуры Т (в °С) при опорном значении Т0 = 0°С. Для промышленных платиновых термометров сопротивления используется уравнение Каллендара-Ван Дьюзена (en), с известными коэффициентами, которые установлены экспериментально и нормированы в международном стандарте МЭК 60751:
и константы (для платинового сопротивления) -
Поскольку коэффициенты B и C относительно малы, сопротивление растёт почти линейно по мере роста температуры.
Рисунок 10.2. Температурная характеристика сопротивления резистивного детектор температуры и термистора
Существуют RTD для набора стандартных сопротивлений. Наиболее часто используемый тип имеет сопротивление 100 Ом при опорной температуре 0°С (273°К), у него есть собственное имя — Pt-100.
Датчики типа RTD имеют весьма низкую чувствительность, и любой ток i, используемый для определения изменения сопротивления, будет нагревать датчик, изменяя его показания на величину, пропорциональную квадрату тока. Выходное сопротивление чаще всего измеряется мостовыми схемами.
RTD имеет положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), т.е. с ростом температуры растет и сопротивление. Терморезисторы практически не подвержены старению, очень живучие.
Конструктивные решения терморезистивных детекторов температуры показаны на рис. 10.2.
Рисунок 10.3. конструкция RTD
1 – корпус (металлический);
2 – клеммы (выводы);
3 – катушка в виде тонкой проволоки;
4 – изолятор.
Термистор (thermistor), т. е. температурно-зависимый резистор, изготавливается из полупроводникового материала, имеющего отрицательный температурный коэффициент и высокую чувствительность. Его сопротивление нелинейно зависит от температуры:
,
где Т- температура в градусах Кельвина,
R0 — сопротивление при опорной температуре Т0
(обычно 298 °К, т. е. 25 °С ),
Р - постоянная (обычно 3000-5000 °К).
Наклон кривой R-Т (рис. 1.2) соответствует температурному коэффициенту а, который, в свою очередь, является функцией температуры
значение коэффициента а обычно лежит в диапазоне от -0.03 до -0.06 К-1 при 25°С (298К).
Из-за конечного сопротивления термистора при протекании по нему тока выделяется тепло. Энергия, выделяемая в термисторе при 25 °С, имеет обычно порядок 0.002 мВт. При постоянной рассеяния около 1 мВт/°С температура датчика будет повышаться на 1 °С (на воздухе) на каждый милливатт рассеиваемой мощности.
Термистор не является точным датчиком температуры. Однако, благодаря своей чувствительности, он используется для измерений малых отклонений температуры. Это устройство довольно надежно как механически, так и электрически. Нелинейное выходное напряжение термистора должно быть преобразовано в линейную зависимость от температуры. Это можно сделать с помощью аналогового устройства или программным способом. Программными средствами можно непосредственно задать градуировочную таблицу или функцию - обратную характеристике термистора. Линейность характеристики можно получить, присоединив к термистору несложные электронные устройства. Термисторы применяются для измерения температур вплоть до 500-600 °С.
Полупроводниковые детекторы температуры
На рисунке показана популярная схема стабилитрона «запрещенной зоны» которая одновременно может служить и датчиком температуры. Т1, и Т2-согласованная пара транзисторов, вынужденная благодаря обратной связи по разности напряжений коллекторов работать при отношении токов коллекторов 10:1. Разность напряжений UБЭ равная (kT/q)ln10, делает ток эмиттера Т2 пропорциональным температуре (разность напряжений приложена к резистору R1). Но поскольку
коллекторный ток T1 всегда в 10 раз
больше этой величины, он также пропорционален
Т. Поэтому суммарный эмиттерный ток пропорционален Т и создает на резисторе R2 падение напряжения, имеющее положительный температурный коэффициент. Это падение напряжения может быть использовано в качестве выходного сигнала температурного датчика. В данной схеме напряжение, снимаемое с резистора
R2, складывается с напряжением UБЭ транзистора Т1, для получения стабильного опорного напряжения с нулевым температурным коэффициентом нa базах транзисторов Т1 и Т2. «Опорные источники запрещенной зоны» существуют в самых разных вариантах, но для них всех характерно сложение напряжения UБЭ с напряжением, созданным парой транзисторов, работающих с некоторым заданным отношением плотностей токов. Датчики, такие как LМ35 и LМ335, генерируют на выходе точное напряжение с крутизной +10 мВ/°С.
Диапазон: -100 С – 600 С
Приняты следующие обозначения:
1 – баллон, находящийся в месте измерения;
2 – рабочая легкокипящая жидкость (фреон);
3 – капилляр;
4 – сильфонная камера;
5 – шток;
6 – стрелочный указатель;
7 – преобразователь перемещения в электрический сигнал (потенциометр).
8 – показывающее устройство
В качестве рабочей жидкости применяется фреон, который легко воспламеняется и имеет хороший коэффициент расширения.
Принцип действия:
При повышении температуры баллона внутри него повышается давление. Сильфон изменяет свои размеры, и механическое перемещение через шток 5 передается на стрелочный указатель и преобразователь 7.
Платиновые термосопротивления
Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температуры газообразных, жидких и твердых сред в диапазоне -200…+540 °C. Они выпускаются с номинальными значениями сопротивления 100 Ом и 1000 Ом нормированными при
температуре 0 С. Датчики характеризуются повышенной линейностью характеристики преобразования во всем диапазоне измеряемых температур, высокой точностью и малыми габаритными размерами. Большое разнообразие конструктивных исполнений (керамические выводные и безвыводные корпуса, сверхминиатюрные корпуса, корпуса из медно-никелиевого сплава) позволяет легко подобрать датчик как для монтажа на печатную плату или поверхность, так и для размещения его в исследуемую среду.
Кремниевые термисторы
Эти датчики предназначены для измерения температуры неагрессивных газов (TD5A) и жидкостей (TD4A) в диапазоне -40…+150 °C. Чувствительным элементом является кристалл кремния с нанесенной на него структурой тонкопленочных резисторов. В процессе производства резисторы проходят процесс лазерной подгонки для обеспечения при температуре 20 С нормированного значения сопротивления 2000 Ом. - TDA4A имеет анодированный алюминиевый герметичный корпус в виде шпильки с резьбой по всей длине, допускающий погружение в жидкие среды. - TDA5A имеет стандартный миниатюрный корпус TO-92 с тремя выводами (средний не используется).
Аналоговые датчики температуры
Аналоговые полупроводниковые датчики температуры предназначены для линейного преобразования значения окружающей температуры или температуры какого-либо объекта в постоянное напряжение. Линейка этих приборов характеризуется большим разнообразием конструктивных исполнений (от миниатюрного MicroSMD корпуса до стандартного TO-220), широким диапазоном рабочих температур (есть модели -55…+150 °C), высокой точностью (до 1,0 °C в рабочем диапазоне), заводской калибровкой, малым током потребления и низкой стоимостью.
Цифровые датчики температуры
Цифровые датчики температуры предназначены для измерения и мониторинга температуры собственного корпуса и температуры удаленного объекта. Во втором случае измерение производится при помощи внешних термодатчиков (кремниевых диодов).
Цифровые датчики объединяют на кристалле кремниевый термодатчик, АЦП (до 14 бит), регистры верхнего и нижнего значения собственной температуры и температуры удаленных датчиков, регистры конфигурации и гистерезиса, аналоговые компараторы, логику управления и реализации протоколов последовательной передачи данных (SPI, SMBus, I2C) и стабилизатор питания. Цифровые датчики температуры, обладают невысокой стоимостью, компактным исполнением и низким током потребления. Они позволяют просто и эффективно решить задачу отслеживания температуры важных компонентов устройства (силовые ПП модули и транзисторы, процессоры, обмотки двигателей и т. д.) и при возникновении перегрева сформировать сигнал тревоги или прерывания. Основным достоинством этих датчиков является сверхмалое потребление энергии и миниатюрное исполнение. У некоторых ИМС этого семейства имеется схема слежения, формирующая сигнал тревоги, при переходе измеряемой температуры за определенное пользователем пороговое значение. Отдельные атчики имеют возможность выбора пользователем разрядности АЦП, и соответственно времени преобразования.
Для примера приведены параметры датчиков этого класса фирмы Texas Instruments
|
Наименование |
Температур-ный |
Интер-фейс |
Точность. ±°C |
АЦП бит |
Uпит В |
Iпит |
SHUT DOWN |
PROG SET2 |
Тип корпуса |
|
ТМР100 |
-55...+125 |
І2С SMBus |
3,0 |
9...12 |
2,7... 5,5 |
145 |
+ |
+ |
SOT23-6 |
|
ТМР100-ЕР |
-55...+125 |
I2C SMBus |
3,0 |
9...12 |
2,7... 5,5 |
45 |
+ |
+ |
SOT23-6 |
|
ТМР101 |
-55...+125 |
I2C SMBus |
3,0 |
9...12 |
2,7... 5,5 |
45 |
+ |
+ |
SOT23-6 |
|
ТМР121 |
-40...+125 |
SPI |
2,0 |
12 |
2,7.5,5 |
35 |
+ |
SOT23-6 |
|
|
ТМР122 |
-40...+125 |
SPI |
2,0 |
9...12 |
2,7... 5,5 |
50 |
+ |
+ |
SOT23-6 |
|
ТМР123 |
-55...+125 |
SPI |
2,0 |
12 |
2,7... 5,5 |
35 |
SOT23-6 |
||
|
ТМР124 |
-40...+125 |
SPI |
2,0 |
9...12 |
2,7... 5,5 |
50 |
+ |
+ |
SO-8 |
|
ТМР125 |
-40...+125 |
SPI |
2,0 |
10 |
2,7... 5,5 |
50 |
+ |
+ |
SOT23-6 |
|
ТМР141 |
-40...+125 |
One-wire |
3,0 |
10 |
2,7... 5,5 |
110 |
+ |
SOT23-6, |
|
|
ТМР175 |
-40...+125 |
I2C SMBus |
1.5 |
9...12 |
2,7... 5,5 |
50 |
+ |
+ |
SO-8 |
|
ТМР75 |
-40...+125 |
I2C SMBus |
2,0 |
9...12 |
2,7... 5,5 |
50 |
+ |
+ |
MSOP-8, |
Кремниевые PTC термисторы
Кремниевые PTC термисторы Philips Semiconductors хорошо известны на российском рынке датчиков. Они зарекомендовали себя как надежные и недорогие приборы, имеющие относительно невысокую погрешность преобразования, вполне приемлемую для большинства приложений. Производственная линейка включает несколько семейств, члены которых различаются по конструктивным признакам, электрическим характеристикам и точности.
Термисторы Philips Semiconductors производятся по уникальной технологии "разветвляющихся сопротивлений" и упаковываются в стандартные типы корпусов (SOT-23, SOT-70 и DO-34).
Термопредохранители представляют собой электромеханические термовыключатели с фиксированной температурой срабатывания. Также имеет место такое название, как "мотор-протекторы". Применяются для защиты от перегрева и от перегрузки по току обмоток одно и трех фазных электродвигателей переменного, а также постоянного тока. Основные области применения - это бытовая и промышленная техника и автомобилестроение. Это электродвигатели для стиральных машин, центрифуг, пылесосов, холодильных компрессоров, насосов, соковыжималок, миксеров, кухонных комбайнов, фенов, моечных машин, сушилок, газонокосилок, электропил и электроинструмента, тепловентиляторов, автомобильные двигатели приводов стеклоочистителей, воздушной заслонки, стеклоподъемников и дверных замков, различного рода насосов. Также к области применения относятся балласты
люминесцентных ламп и ламп высокого давления (HID), а также силовые трансформаторы, соленоиды, зарядные устройства, нуждающиеся в защите от перегрузки и перегрева.
Термостаты отличаются от термопредохранителей в основном тем, что обеспечивают размыкание либо замыкание контактов только в результате воздействия внешней температуры на биметаллический диск. То есть они не предназначены для того, чтобы производить коммутацию силовой цепи также и по превышению тока, проходящего через термостат. Типичное применение термостатов - газовые и электрические бойлеры, СВЧ печи, электрические маслорадиаторы, тепловые пушки, электронагреватели, системы "NO FROST" современных холодильников.
Лекция №11.
Тема лекции: Датчики давления в системах автоматики.
Цель лекции: Знакомство с многообразием принципов действия датчиков давления систем судовой автоматики.
Жидкостные приборы
Принцип действия основан на законе Паскаля: уровни жидкостей
в сообщающихся сосудах при одинаковых давлениях в обоих сосудах лежат в одной горизонтальной поверхности т.е. при Р1 = Р2 Н1 = Н2.
а) U - образный манометр
Под действием давления Рабc подведенному к одному из концов прибора образуется разность уровней h.
Тогда Рабс = Ратм + h*ρ*g.
Ризб = Рабс - Ратм = h*ρ*g.
где ρ - плотность рабочей жидкости
g - ускорение свободного падения.
Погрешность равна ±2 мм столба рабочей жидкости.
б) Чашечный манометр с наклонной трубкой
(разновидность U - образного манометра)
Принцип что и у U - манометра.
Длина шкалы 250 мм. Цена деления 1 мм.
Деформационные приборы (манометры)
В промышленности получили широкое распространение. Диапазон измерений 0-160 Па; 0-1000 МПа.
Принцип действия: уравновешивание измеряемого давления силами упругих деформаций чувствительных элементов (трубчатая пружина [трубка Бурдона], мембрана, сильфон).
а) трубчатая пружина. Изменение давления Р вызывает деформацию трубки и перемещение ее свободного конца. (При подаче на вход манометра Ризб трубка разжимается, а при подаче разрежения сжимается).
б) мембрана. Изготавливается в виде тонкой пластинки из нержавеющей стали, резины, пластмассы.
Недостаток: небольшой ход чувствительного элемента
в) сильфон - гофрированный тонкостенный сосуд, выполненный из упругого материала (латунь, коррозионностойкая сталь). Обычно число гофр 4-24.
Длина 13-100 мм. Диаметр 12-100 мм. Рабочий ход сильфона 2-21 мм.
Для всех трех случаев: ∆h = k*∆Р
где k - коэффициент усиления трубчатой пружины, мембраны или сильфона, соответственно.
Деформация чувствительных элементов может преобразовываться в электрический сигнал с помощью преобразователей перемещений (потенциометрического, индуктивного, емкостного, тензометрического).
Грузопоршневые приборы
Принцип действия: основан на уравновешивании сил, создаваемых с одной стороны измеряемым давлением, а с другой стороны грузом и поршнем.
О величине давления судят по величине не массы грузов и поршня, а по перемещению поршня.
Высокая точность (кл. точности 0,02..0,2).
Широкий диапазон (0,1..100 МПа).
Применение: в основном для поверки и градуировки.
Различают следующие типы преобразователей давления:
В большинстве случаев автоматические измерительные преобразователи давления создаются на основе упругих чувствительных элементов – сильфонов и мембран. Сильфон можно соединить с движком потенциометра.
Мембрана присоединяется к кристаллу кварца, электроду конденсатора или дифференциальному трансформатору. Благодаря пьезоэлектрическому эффекту деформированный кварцевый кристалл генерирует разность потенциалов. Изменение емкости конденсатора, присоединенного к мембране, можно измерить каким-либо электрическим методом. Дифференциальный трансформатор выдает электрический сигнал пропорциональный перемещению мембраны.
В основе работы тензорезистора лежит эффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации.
Полупроводниковые датчики давления
Сегодня полупроводниковые датчики давления — одно из наиболее динамично развивающихся направлений в области электроники. В мире насчитывается больше сотни компаний, занятых производством полупроводниковых датчиков давления различного применения. Изделия этих фирм-производителей имеют примерно равное качество, а аналогичные типы приборов находятся в одной ценовой категории.
Основой современных датчиков давления является тензочувствительный элемент. Это, как правило, четыре идентичных пьезорезистора, имплантированных в канавки, вытравленные на поверхности кремниевой мембраны и соединенных по мостовой схеме.
Внешнее давление вызывает деформацию мембраны, что приводит к разбалансировке моста. Значение создаваемого напряжения рассогласования (полезный сигнал) прямо пропорционально приложенному давлению. Этот принцип заложен в основу работы любого датчика, но на нем и заканчивается сходство. Дело в том, что теперь выпускаются приборы для применения в самых разных областях (начиная от схем контроля засорения фильтра бытового пылесоса до измерителей давления эксплуатационных жидкостей летательных аппаратов) с различными электрическими, конструктивными, климатическими и ценовыми характеристиками. Большое разнообразие конструктивных исполнений, широчайший диапазон измерения (от нескольких десятков миллиметров водяного столба до сотен атмосфер), способность работать в различных средах, в том числе агрессивных, все варианты стандартных выходных сигналов, наличие прецизионных моделей плюс гибкая ценовая политика предоставляют разработчику неограниченную свободу выбора датчика практически для любой области применения.
Рисунок 11.1. Принцип работы полупроводниковых датчиков давления
Чтобы получить четкое и систематизированное представление сразу обо всей линейке датчиков давления, необходимо провести классификацию компонентов по основным признакам, а именно: по типу и величине измеряемого давления, типу измеряемой среды и выходного сигнала.
Типы измеряемого давления
Любой датчик всегда измеряет разницу давлений, подведенных с разных сторон мембраны. При этом, как правило, одно из них должно быть подведено через порт подвода. Это давление обычно прилагается со стороны пьезорезистивного моста мембраны. Давление, используемое с противоположенной стороны мембраны, определяет тип датчика и является опорным. Производятся датчики для измерения всех существующих типов давления: абсолютного, дифференциального, избыточного и вакуума. Существует множество так называемых двунаправленных моделей, способных измерять одновременно как разрежение, так и избыточное давление с одной стороны мембраны (одним портом).
Типы выходного сигнала
Тип выходного сигнала датчика давления определяет степень его интеграции. По этому признаку все модели можно разделить на три большие группы: базовые, термокомпенсированиые с заводской калибровкой смещения и диапазона и термокомпенсированные с заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом.
Изображённая на рис. 11.2 структура называется базовой и является самой простой и недорогой. Характерным ее недостатком является сильная зависимость характеристики преобразования от температуры и большой разброс напряжения смещения от образца к образцу.
Рисунок 11.2. Базовый датчик
Несмотря на это, производится ряд семейств по базовой схеме. Высокий спрос на такие приборы обусловлен тем, что существует множество приложений, где нет необходимости в точном измерении, а требуется лишь грубая оценка. Здесь можно значительно сэкономить на стоимости изделия. Другой причиной такого спроса являются специфические требования к датчику по точности, стабильности, типу выходного сигнала и конструктивному исполнению, которым порой не может удовлетворить даже полностью законченный интегрированный прибор. И одним из возможных выходов из ситуации является проектирование на основе базового преобразователя собственного уникального изделия.
Термокомленсированные и калиброванные датчики давления отличаются от базовых (см. Рис. 11.3) более сложной структурой чувствительного элемента. Они дополнительно содержат набор тонкопленочных термисторов и резисторов, расположенных на том же кристалле, что и диафрагма, сопротивление которых подгоняется лазером в процессе изготовления сенсора. В установленном диапазоне рабочих температур (как правило, 0...+85°С) выходной сигнал таких датчиков значительно стабильнее, а разброс начального напряжения смещения, как правило, не превышает ±1 мВ при размахе выходного напряжения 70...100 мВ (для сравнения: разброс напряжения смещения базовых датчиков - ±20...30 мВ). Датчики, имеющие температурную компенсацию и калибровку, пользуются наибольшей популярностью среди разработчиков, обеспечивая оптимальное соотношение цена/стабильность и простоту схем. Еще одним положительным моментом использования данной категории датчиков является возможность замены вышедшего из строя датчика без необходимости перекалибровки устройства. Следует отметить, что эти приборы в среднем на 30-35% дороже базовых датчиков.
Рисунок 11.3. Термокомпенсированный датчик с заводской калибровкой
Датчики с температурной компенсацией, заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом до предела упрощают задачу разработчика. Кроме цепей термокомпенсации и калибровки смещения, на кристалле расположен усилитель, схема линеаризации характеристики и
Рисунок 11.4. Датчик с температурной компенсацией, заводской калибровкой и нормализованным выходным сигналом
преобразователь, реализующий один из следующих стандартных типов выходного сигнала:
• пропорциональный выход по напряжению: размах выходного напряжения во всем диапазоне измеряемых давлений составляет 0,50...4,50 В (при Uп = 5 В), и линейно зависит от напряжения питания, то есть имеется возможность в небольших пределах осуществлять регулировку размаха выходного сигнала и подстройку смещения;
• двух- или трехпроводной токовый выход: 4...20 мА при Uпит = 9...35В;
• стабилизированный выход: размах выходного напряжения во всем диапазоне лежит в пределах 1...6 В и не зависит от напряжения источника питания;
• частотный выход: как правило - 1...6 кГц во всем диапазоне давлений.
Диапазоны измеряемых давлений, измеряемые среды и конструктивное исполнение
Конструктивное исполнение датчика определяется диапазоном измеряемого давления, типом среды, в которой измеряется давление, видом измеряемого давления, специальными требованиями, предъявляемыми к материалу корпуса датчика, классу защиты от окружающей среды, способом крепления (шасси, печатная плата, стандартные резьбовые соединения) и областью применения.
По диапазону измеряемых давлений датчики можно разделить на три большие группы. Датчики малых давлений (0...250 Па,..., 0...1700 кПа), датчики средних давлений (0...1 кПа,...,0...1000кПа) и датчики высоких давлений Р...1700 кПа 0...4150 атм (!)). В большинстве случаев номинальное давление и определяет конструкцию датчика. Датчики малых и средних давлений, как правило, выполнены в полиамидном корпусе. Датчики высоких давлений изготавливаются в корпусе из нержавеющей стали или латуни. На следующем рисунке приведен внешний вид типовых представителей датчиков малых (а), средних (6) и высоких (в) давлений.
Среда, давление которой измеряется, и ее температура также налагают
специфические требования на конструкцию прибора. Средой могу являться сухой или влажный газ, различные эксплуатационные жидкости, в том числе и агрессивные. Практически все пластиковые датчики Honeywell предназначены для измерения давления сухих и влажных неагрессивных газов. Чувствительный элементу них защищен от окружающей среды различными типами силиконовых гелей. В большинстве случаев это фторосиликон. Если же датчик предназначен для работы в условиях высокой влажности и загрязненности, то его чувствительный элемент защищается этилпропилдиеновым мономером (EPDM), чрезвычайно гибким и сверхпрочным материалом, обладающим отличными температурными свойствами в диапазоне -60...+150°С и высокой влагостойкостью. Практически у всех металлических датчиков чувствительный элемент защищен дополнительной металлической мембраной из латуни ИЛИ нержавеющей стали. Передача давления в этом случае осуществляется при помощи слоя силиконового геля, заполняющего пространство между защитной мембраной и сенсором. Эта 100-процентная изоляция, с одной стороны, позволяет прибору работать с множеством агрессивных газов и жидкостей (топливо, масла, эмульсии и другие эксплуатационные жидкости). С другой — снижается время отклика и чувствительность.
Например, минимальный диапазон измеряемых давлений приборов данного типа
составляет 0..100PSI (0...7 атм).
Лекция №12.
Тема лекции: Датчики расхода жидкости и газа.
Цель лекции: Знакомство с многообразием принципов действия датчиков расхода жидкости и газа систем судовой автоматики.
Для измерения расхода жидкости применяют следующие датчики:
1) переменного перепада давления;
2) постоянного перепада давления;
3) турбинные,
4) объемные,
5) электромагнитные,
6) ультразвуковые.
В число недостатков датчиков типов 1)...4) входит необходимость наличия в трубопроводе (для работы датчиков) диафрагм, тел обтекания, турбинок, крыльчаток, овальных и винтовых шестеренок. Электромагнитные датчики используют для измерения расхода электропроводной жидкости, поэтому их невозможно применять для измерений расхода нефтепродуктов.
Расходомеры переменного перепада давления (с сужающим устройством)
Принцип действия: измеряют перепад давлений ∆Р который уменьшается в зависимости от расхода пропускаемого вещества (газ, жидкость).
Перепад давлений получают с помощью специальных устройств: диафрагма, сопло, сопло Вентури. Создают местное сопротивление в трубе.
Диафрагма:
Рисунок 12.1. Расходомер переменного перепада давления
Объёмный расход
где α - коэффициент расхода, учитывает отношение диаметров трубопровода и сужающего устройства, степень сжатия потока;
ε - коэффициент расширения струи, учитывает изменение плотности потока при прохождении через сужающее устройство;
ρ - плотность газа или жидкости (кг/м ):
F0 - площадь внутреннего отверстия сужающего устройства (м2);
∆Р — перепад давлений на сужающем устройстве.
Для массового расхода
Расходомеры постоянного перепада давления (жидкость, газ) - или расходомеры обтекания.
Принцип действия: рабочая среда (жидкость, газ) обтекает чувствительный элемент прибора — поплавок. Наиболее распространённым типом такого типа расходомера является ротаметр.
Рисунок 12.2. Расходомер обтекания.
Принцип действия ротаметра: гидродинамическое давление измеряемого потока F воздействует снизу на поплавок и вызывает его вертикальное перемещение до тех пор, пока он не установится на определённой высоте ∆h (в зависимости от расхода F). Под действием перемещения поплавка из-за конусности трубки изменяется площадь проходного сечения между поплавком и трубкой, а перепад давления по обе стороны поплавка остаётся постоянным (поэтому и называют расходомеры постоянного перепада давления).
Достоинства:
• высокая чувствительность:
• малая стоимость:
• простота конструкции и эксплуатации:
• можно использовать для агрессивных жидкостей и газов.
Имеются ротаметры с электрической или пневматической дистанционной передачей (т.е. бесшкальные).
Тахометрические расходомеры
а) турбинные
Принцип действия: частота вращения установленных в потоке элементов связана с расходом. Применяется для стационарных режимов движения несжимаемых жидкостей.
б) ротационные счетчики
Принцип действия: под действием разности давлений па входе и выходе прибора роторы приводятся во вращение и обкатываются боковыми поверхностями. При этом суммируются единичные объемы газа V0 вытесненных роторами из измерительной камеры прибора за определенный период времени.
Объем газа V, прошедший через прибор равенV=V0*n, где n - частота вращения роторов.
Рисунок 12.3. Тахометрический расходомер
Выпускаются газовые счетчики типа РГ на расходы 40, 100, 250, 400, 600, 1000 м3/ч.
Погрешность показаний в пределах 10-100% номинального расхода составляет ±2%.
Индукционные расходомеры
Принцип действия основан на законе Фарадея (закон электромагнитной индукции). При протекании в трубопроводе проводящей жидкости между полюсами магнита, то в направлении перпендикулярном направлению жидкости и в направлении основного магнитного потока возникает э.д.с. U на электродах, пропорциональная скорости движения жидкости v:
U=-Bdv
где В - магнитная индукция в зазоре полюсов магнита,
d - внутренний диаметр трубопровода.
Рисунок 12.4. Индукционный расходомер
Если выразить через объемный расход Q через скорость V, т.е.
то U равно
Достоинство:
- обладают незначительной инерционностью показаний (что важно для САУ);
- нет частей, находящихся внутри рабочего трубопровода (поэтому они имеют минимальные гидравлические потери).
Недостатки: - показания зависят от свойств измеряемой жидкости (вязкость, плотность) и характера потока (ламинарный, турбулентный);
- присуще образование паразитных э.д.с. и явление поляризации электродов, при этом изменяется сопротивление датчика.
Сейчас выпускают индукционные расходомеры: ИР-51, 4РИМ, 5РИМ. Диапазон измерений 1.25-400 м3/ч. Основная погрешность 1- 1.5%.
Измеряемые среды: щелочи, кислотные, абразивные жидкости и пульпы.
Ультразвуковые датчики расхода.
Скорость распространения ультразвуковых колебаний в движущейся среде относительно выбранной системы отсчета определяется геометрической суммой скоростей ультразвуковых колебаний С и движения среды v. По измеренному значению суммарной скорости при известном значении С определяется скорость протекания среды.
Принцип действия ультразвукового датчика расхода заключается в измерении разности ультразвуковых импульсов по направлению потока среды и против него.
Время t1 распространения импульсов по потоку можно определить из следующего выражения:
а время и прохождения импульсов против потока определяется следующим образом:
где L - расстояние между излучателем и приемником,
α - угол между векторами скоростей потока v и ультразвука С.
Разность интервалов времени прохождения импульсов составляет:
Объемный расход жидкости определяется выражением:
где S - площадь поперечного сечения трубопровода.
Поэтому
Рисунок 12.5. Структурная схема ультразвукового время-импульсного расходомера.
Основные трудности при использовании ультразвукового метода связаны с тем, что скорость звука в среде зависит от ее физико-химических свойств, температуры, давления. Скорость звука значительно превышает скорость движения среды, поэтому действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от его скорости в среде неподвижной
Упомянутые трудности обуславливают применение специальных методов компенсации возникающих погрешностей.
Достаточно широкое использование ультразвуковых датчиков связано с их достоинствами, в число которых входят:
В качестве излучателей и приемников в датчиках применяют пьезоэлектрические преобразователи, в которых используется прямой и обратный пьезоэффект.
На рис. 14.1 представлена функциональная схема ультразвукового датчика расхода УВР-011 с накладными электроакустическими преобразователями (ЭАП), смонтированными на внешней стороне трубопровода. Электронная схема измерения датчика выполнена на базе микропроцессора 87C51GB фирмы Intel.
Цикл измерения, инициируемый микро-ЭВМ, начинается с выбора одного из направлений излучения ультразвукового им ющее положение. При этом ЭАП2 излучает сигнал, а ЭЛП1 принимает его.
Принятый сигнал через коммутатор поступает на схему выделения полезного сигнала, где происходят его усиление и фильтрация от помех. Определение времени распространения сигнала осуществляется в блоке измерения временного интервала, с выхода которого значения t1, поступают в микро-ЭВМ. Затем по команде
микро-ЭВМ направление излучения изменяется на противоположное, после чего повторяется процедура измерения времени t2 распространения импульсов против потока. На этом процесс измерения завершается, и микро-ЭВМ осуществляет расчет текущего значения расхода жидкости.
Основные технические характеристики датчика расхода:
диапазон измерения, м3/ч 2,3...43000;
погрешность измерения, %, не более 1,5;
диапазон рабочих температур преобразователей, °С -20.+100.
Датчик УВР-011 выпускает фирма'ТАХИОН" (Украина). Аналогичные датчики расхода выпускают также фирмы KROHNE (Германия) и PANAMETRICS (США).
Косвенный метод измерения массового расхода газа
Уникальный микромостовой измерительный элемент, позволил компании Honeywell создать датчики расхода газа быстрым временем отклика, высокой чувствительностью, повторяемостью и очень низким гистерезисом (рис. 12.6).
Чип включает нагревательный элемент и два расположенных по его обе стороны термочувствительных датчика. Эти компоненты выполнены из тонких платиновых пленок, осажденных между двумя слоями нитрида кремния. Путем анизотропного травления нитрида кремния с нижней стороны формируются два моста. Каждый мост включает один температурный сенсор и половину нагревателя. Причем каждый мост может быть определен как для входного, так и для выходного потока газа. Принцип действия этой системы основан на механизме передачи потоком газа относительного Рисунок 12.6. Структура чувствительного количества теплоты над поверхностью измерителя элемента датчиков расхода газа Honeywell. дальнейшей регистрацией разности температур
термодатчиков моста на входе и выходе. Необходимое направление и распределение потока газа над поверхностью измерителя обеспечивает строго определенная внутренняя геометрия измерительной камеры датчика. В процессе работы нагревательный элемент достигает температуры на 160 °С выше, чем окружающая температура.
При нулевом потоке газа над поверхностью измерителя выходное напряжение моста равно нулю. В момент же действия потока газа термодатчик, расположенный первым по ходу потока, охлаждается, а термодатчик, что находится на противоположенной стороне, нагревается. В результате происходит разбалансировка и на выходе появляется напряжение, величина и знак которого пропорциональны объему и направлению газа, проходящего в единицу времени через измерительную камеру датчика.
Благодаря малым размерам чувствительного элемента, экстремально низкой термической массе и высоким температурным градиентам расходомерам Honeywell свойственны очень малое время отклика (около 1 мс), высокая повторяемость и низкий гистерезис. Поскольку датчики являются соразмерными с пропорциональной методикой измерения, максимальная точность достигается вблизи нулевых потоков. Ввиду очень низкой энергии потребления датчики Honeywell совершенно безопасные устройства. Все эти преимущества плюс компактный дизайн сделали эти приборы пригодными для множества различных применений как в бытовой, так и медицинской и
Рисунок 12.7. Принцип работы датчиков промышленной аппаратуре.
расхода газа Honeywell.
Основные области их применения это:
По степени интеграции все датчики расхода газа Honeywell можно условно разбить на две группы. Это датчики с милливольтовым выходом и датчики с нормализованным выходным сигналом. Первая группа характеризуется, с одной стороны, невысокой стоимостью, а с другой - требует внешние схемы управления нагревателем, питания микромоста и инструментального усилителя сигнала. Здесь следует отметить, что в технической документации на такие приборы всегда приведены простые варианты практической реализации этих схем. Ко второй группе следует отнести полностью интегрированные приборы с нормализованным выходным сигналом. Эти датчики имеют все необходимые встроенные схемы управления и обработки сигнала. Верхний предел измерения датчиков Honeywell составляет 200 л/мин. Однако множество
приложений требуют измерения значительно больших объемов расхода газа. Для этого можно воспользоваться самым распространенным на практике методом расширения диапазона измерения - это включение датчика в так называемый байпас, то есть обводной канал (рис. 12.8). В этом случае только часть от общего потока газа проходит через датчик. Величина этого потока определяется байпас-коэффициентом. Однако нужно отметить, что чем меньше этот коэффициент, тем более стабильный и предсказуемый будет выходной сигнал датчика.
При эксплуатации датчиков очень важно учитывать химическую совместимость материалов, из которых изготовлены датчики, с газами, расход которых измеряется. Датчики расхода газа Honeywell имеют ограниченное количество контактирующих с внешней средой материалов, среди которых кремний, нитрид кремния, золото, оксид алюминия, Эпоксидный уплотнитель, фтор углерод, полиэфир, полиэфирамид и нержавеющая сталь. Использование в конструкции датчика этих относительно химически не активных компонентов позволяет приборам уверенно работать с множеством различных газовых сред при относительной влажности до 95 %.
Вместе с этим необходимо отметить, что использование датчика в запыленных средах может привести к засорению чувствительного элемента частицами пыли и грязи. Это, в свою очередь, может привести к полной деградации характеристик прибора. Поэтому настоятельно рекомендуется применение 5- микронного фильтра на входе.
Диапазон возможных применений датчика очень широк. Это и различные фильтрующие системы, и осушители, и системы вентиляции и кондиционирования, и многие подобные применения. Востребованность датчика определяется его возможностью регистрировать перемещения потоков воздуха с очень малой скоростью.
Рисунок 12.8. Измерение больших расходов газа при помощи включения датчика в обводной канал
При эксплуатации приборов следует учитывать ряд особенностей. Изделия не предназначены для использования в насыщенных водяными парами
средах. Не рекомендуется использовать датчик в агрессивных газовых смесях, вызывающих коррозию, таких как хлор, аммиак и другие. Из принципа действия датчика следует, что на его показания могут влиять теплопроводность и вязкость газа. Поэтому
в зависимости от газа или состава газовой смеси, возможно, потребуется ввести поправочный коэффициент. Наибольшие проблемы возникают при использовании датчика для измерения скорости потоков двуокиси углерода (С02). В этом случае чувствительность датчика может увеличиться на 135%. Перед применением датчика необходимо правильно выбрать условия эксплуатации, в том числе, и состав газовой смеси (или тип газа).
Ниже приведен список газов и смесей, для измерения расходов которых не требуется вводить поправочные коэффициенты:
— воздух; — окись углерода (СО);
— азот(N2); — окись азота (NО);
— кислород (O2).
Однако при использовании датчика в некоторых других газовых средах рекомендуется проконсультироваться с представителями их производителя. К этим газам относятся:
— гелий (Не); — водород (H2);
— аргон (Аr); — углекислый газ (СO2);
— метан (NH4); — двуокись азота (NO2).
Лекция №13.
Тема лекции: Датчики положения и перемещения.
Цель лекции: Изучение особенностей применения в электронных средствах управления различных типов датчиков положения и перемещения.
Первичные преобразователи (датчики) перемещений предназначены для контроля линейных и угловых перемещений. Они являются достаточно универсальными: их можно использовать и самостоятельно, и как составные узлы более сложных первичных преобразователей (давления, уровня, температуры, расхода). Получили широкое распространение в промышленности, т.к. большое число всех контролируемых переменных приходится на линейные и угловые перемещения. По характеру выходного сигнала датчики, используемые в САК перемещений, классифицируют:
Рисунок 13.1. Классификация датчиков положения и перемещения
Дискретные контактные датчики перемещений
Основным контактным датчиком является конечный выключатель, конструкция и схема,которого показаны на рис 13.2,а и 13.2,б соответственно. При нажатии на шток нормально закрытый контакт SQ 1.1. разрывается, а нормально открытый контакт SQ 1.2 закрывается. При снятии нажатия пружина возвращает шток в исходное положение. Связь контактов - механическая.
а) б) в) г)
Рисунок 13.2. Дискретные контактные датчики
Эти датчики применяются как для командных, так и для измерительных операций:
а) командные операции - предназначены для ограничения хода узлов механизмов и станков. Воздействие на конечные выключатели происходит при помощи разнообразных упоров (кулачки) см. рис. 13.2,в и 13.2,г.
Концевые выключатели (limit switch) различных типов являются важной частью многих систем управления, надежность которых существенно зависит именно от них, т.к. такие датчики содержат подвижные механические элементы ресурс которых ограничен.
Простое согласование сигналов таких датчиков и логических входов контроллера можно обеспечить с помощью нагрузочного резистора. Когда выключатель разомкнут, с ключа снимается напряжение +Uп, воспринимаемое как логическое состояние высокого уровня (1). Если контакт замкнут, выходной сигнал равен потенциалу земли, что воспринимается логическое состояние низкого уровня (0).
Рисунок 13.3. Дребезжание контактов при замыкании выключателя
Замыкание механического выключателя обычно вызывает проблемы, поскольку контакты вибрируют ("дребезжат") несколько миллисекунд, прежде чем замкнуться. Когда важно зафиксировать только первое касание, как в случае концевого выключателя, принимать во внимание последующие замыкания и размыкания контактов из-за дребезжания нет необходимости. Применение цепи, обеспечивающей небольшое запаздывание выходного сигнала, является одним из способов преодоления эффекта дребезжания контактов.
б) измерительные операции - предназначены для измерения линейных размеров изделий или величины перемещения рабочих органов. При этом датчики настраиваются на данный размер по образцовым деталям.
Достоинство: простота конструкции, большие мощности и амплитуды сигнала.
Недостатки: худшие по сравнению с непрерывными датчиками статические и динамические Рисунок 13.4. Измерительный характеристики.
контактный датчик
Непрерывные датчики перемещений
а) Потенциометрические датчики (реостатные)
Применяются для измерения линейных и угловых перемещений. Принцип действия: при изменении положения токосьёмного контакта переменного сопротивления изменяется его сопротивление Rд.
Рисунок 13.5. Потенциометрический датчик перемещений
Недостаток: скользящий контакт (возможен обрыв провода обмотки).
б) Индуктивные датчики (электромагнитные)
Применяются для измерения линейных и угловых перемещений. Принцип действия: при изменении положения ферромагнитного якоря изменяется индуктивное сопротивление катушки
61) простейший датчик
Рисунок 13.6. Индуктивный датчик перемещений
62) дифференциальный индуктивный датчик. Состоит из двух
простейших (нереверсивных) датчиков
При среднем положении якоря индуктивные сопротивления катушек одинаковые, величины токов в катушке равны (I1 = I2) и результирующий ток во вторичном приборе (ВП) равен 0. При отклонении якоря на δ появляется разность токов в обмотках катушки, который фиксируется ВП.
Статическая характеристика: имеет больший линейный участок по сравнению с простейшим датчиком, что позволяет увеличить рабочее перемещение якоря.
Достоинства:
• компенсация колебаний напряжения и окружающей среды;
• чувствительность в два раза выше, чем у простейшего датчика.
в) Емкостные датчики
Принцип действия: при изменении площади перекрытия пластин S конденсатора или расстояния δ между ними изменяется его емкость С.
Для хорошей работы требуют повышенной частоты питания (выше 1000 Гц). Кроме измерения перемещений используются для систем автоматического контроля уровня и влажности.
Рисунок 13.7. Емкостный датчик перемещений
г) Фотоэлектрические датчики (бесконтактные)
Применяются для измерения длины, контроля состояния поверхности, учета (подсчета) продукции.
Принцип действия: изменение электрических характеристик датчика под действием потока света. Используются для контроля линейных размеров, учета продукции [м.б. для защиты рук].
Рисунок 13.8. Фотоэлектрический датчик перемещений
г1) Просветные ИК датчики положения представляют собой систему из ИК излучателя и ИК фотоприемника, встречно-ориентированных вдоль одной оптической оси и жестко закрепленных конструкцией корпуса. Промежуток между излучателем и приемником образует чувствительную область сенсора. При попадании контролируемого непрозрачного объекта в эту область происходит прерывание луча. В результате резко уменьшается ток через фотоприемник (фотодиод, фототранзистор, составной фототранзистор). Линейка ИК датчиков просветного типа насчитывает множество приборов, различающихся между собой электрическими, оптическими и конструктивными характеристиками.
г2) Отражательные ИК датчики положения представляют собой систему из ИК излучателя и ИК фотоприемника (фототранзистор или составной фототранзистор), жестко закрепленных в корпусе, оптические оси которых пересекаются под определенным углом вне корпуса датчика. Когда детектируемый объект находится в поле обзора датчика (пересечение оптических осей излучателя и приемника), отраженный от него сигнал, формируемый излучателем, в точке приема максимален. Этот факт вызывает резкое увеличение выходного тока через фототранзистор. Основными параметрами оптических датчиков отражательного типа являются точка оптимального обнаружения (оптимальное расстояние объекта до апертуры фотоприемника датчика, при котором отклик на выходе максимален) и чувствительность. Первый параметр зависит от взаимного расположения излучателя и приемника, определяемого конструкцией датчика, второй - от чувствительности фотоприемника.
г3) цифровые оптических энкодеры предназначены для определения направления и скорости вращения, угла поворота и линейного перемещения. Такие сенсоры состоят из двухканального интегрального фотодетектора и ИК излучателя, заключенных в корпус из ИК непрозрачного термопластика. Эти датчики обычно используется совместно с кодирующим диском или линейкой, которые, в свою очередь, механически связаны с детектируемым объектом. Они обычно имеют прецизионную разметку в виде просветных полосок шириной до 0,03мм (максимальное разрешение для HOA0901), строго соответствующих определенным положениям объекта. В момент, когда размеченный диск совершает вращение вдоль просветного окна сенсора, схема обработки формирует на выходе два сигнала одинаковой формы и сдвинутых по фазе на 90° (или -90°, для вращения в противоположенную сторону). Путем подсчета импульсов и анализа фазы измеряется угол Рисунок 13.9 Цифровой оптический поворота и направление вращения оси.
энкодер
г4) датчик микроперемещения (толщины) предназначен для определения микроперемещения объекта с точность до ±10,0 мкм. Принцип действия - оптический, излученный светодиодом и отраженный от поверхности объекта свет улавливается и обрабатывается фазовым синхронным детектором. Встроенный микропроцессорный модуль обеспечивает простоту использования этого датчика и Рисунок 13.10 Цифровой датчик микроперемещения позволяет использовать объекты с
различным коэффициентом отражения. Основное назначение Z4D-B01- определение толщины бумаги в принтерах, измерение толщины материалов, контроль за перемещением узлов прецизионной механики.
д) Датчики положения магниторезистивные
д1) магниторезистивные датчики для магнитометрии, навигации и электронных компасов предназначены для магнитометрии и электронных компасов. В основе принципа действия датчиков лежит анизотропный магниторезистивный эффект (АМР) рис. 13.11, который заключается в способности пермаллоевой (NiFe) пленки изменять свое сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего через нее тока и направления ее вектора намагниченности. Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки М на угол θ. Величина зависит от направления и величины этого поля. При этом изменяется сопротивление пленки R = Ro + R*cos 2θ , и соответственно напряжение на выходе моста. Для построения датчика четыре идентичных магниторезистивных пленки соединяются по мостовой схеме и образуют плечи моста. Пленки формируются осаждением тонкого слоя пермаллоя на кремниевую пластину. На практике, для увеличения чувствительности датчика, каждое плечо моста формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке, последовательно между собой соединенных при помощи алюминиевых перемычек и защищенных сверху слоем нитрида тантала. В окружении магниторезистивного моста расположены две плоские катушки SET/RESET и OFFSET. Подача короткого установочного импульса тока 2…5А длительностью 1-2 мкс через катушку SET/RESET формирует поле, ориентирующее магнитные домены всех пленок в одном направлении. Это направление называется легкой осью. Легкая ось всегда указывается в документации на прибор. Эта процедура выполняется перед каждым замером поля, переводя датчик в режим максимальной чувствительности. Пропуская постоянный ток определенной величины (20…50мА) через катушку OFFSET можно компенсировать любое внешнее паразитное магнитное поле. Внешнее поле и поле, формируемое катушкой OFFSET, просто добавляются друг к другу с учетом знака и воспринимаются мостом сенсора как единое целое. В технической документации на любой датчики всегда приведены готовые схемы управления этими катушками. Магниторезистивные датчики характеризуются высокой чувствительностью, широким диапазоном рабочих температур (-55…+150 °C) и большим разнообразием конструктивных исполнений. В линейке сенсоров присутствуют как 1-осевые, так и 2-х и 3-х (2 или 3 перпендикулярно ориентированные моста в одном корпусе) осевые модели.
Рисунок 13.12. Передаточная характеристика
магниторезистивного датчика
д2) магниторезистивные датчики для измерения положения, тока, угла поворота и линейного перемещения работают в режиме насыщения совместно с постоянным магнитом, закрепленным на оси, угол поворота которой измеряется. Только в таком режиме вектор намагниченности датчика способен ориентироваться строго по направлению внешнего магнитного поля без последующей дезориентации доменной структуры чувствительных пленок. Датчики предназначены для высокоточного измерения угла поворота оси в пределах ±45° и ±90°, а также линейного перемещения в пределах ±2,5 см.
e) Датчики положения на эффекте Холла
Эффект Холла лежит в основе одной из распространенных технологий бесконтактной регистрации приближения, перемещения и скорости вращения ферромагнитных объектов. Эта технология опирается на свойство полупроводниковой структуры генерировать разность потенциалов при воздействии внешнего магнитного поля. Номенклатура этих датчиков насчитывает более двухсот видов, различающихся между собой по конструктивным, электрическим и эксплуатационным характеристикам. Однако, не смотря на все различия, все приборы имеют схожее, функционально
Рисунок 13.13. Датчики положения на эффекте Холла.
законченное ядро. Это элемент Холла и схема обработки сигнала. Условно все приборы можно разделить на две группы: датчики с линейным выходом и датчики с логическим выходом. Первые обычно применяются для определения небольших перемещений, построения более сложных датчиков, а также в качестве чувствительного элемента датчиков тока с гальванической развязкой. Назначение вторых - это определение присутствия какого-либо ферромагнитного объекта в чувствительной области датчика. Это свойство может быть использовано для определения конечного положения металлического объекта или скорости вращения зубчатой шестерни, крыльчатки и специализированного шести полюсного магнита.
е1) Линейные датчики магнитного поля на эффекте Холла состоят из полупроводникового элемента Холла, стабилизатора питания, дифференциального усилителя и выходного каскада. В зависимости от модели датчика, выходной каскад представляет собой усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с открытым коллектором (PNP) или двухтактной схеме (PNP+NPN). Выходное напряжение этих датчиков находится в линейной зависимости от величины магнитного поля, которое в рабочей области может быть как, так и отрицательным. За пределами рабочей области датчик входит в насыщение. В отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на
Рисунок 13.14. Передаточная выходе равно половине напряжения питания.
характеристика линейного датчика
положения на эффекте Холла
Размах выходного напряжения и чувствительность датчиков находятся в линейной зависимости от напряжения источника питания (пропорциональный выход), которое может находиться в диапазоне от 4,0 до 16,0 В. Датчики характеризуются высокой нагрузочной способностью, линейной характеристикой преобразования в рабочем диапазоне магнитных полей, широким диапазоном рабочих температур и питающих напряжений, долговременной стабильностью параметров и малым током потребления. Большинство моделей имеют встроенные схемы температурной компенсации, калибровки смещения и диапазона, а также защиты от случайной смены полярности по линии питания.
е2) Датчики положения на эффекте Холла цифровые
В зависимости от действующей величины внешнего магнитного выходной сигнал этих приборов принимает только два состояния: высокий и низкий уровень. Выходной сигнал конвертируется из линейного с помощью триггера Шмидта. Благодаря гистерезисной характеристики триггера повышается помехоустойчивость датчика и устраняются ложные срабатывания. В выходной характеристике датчика принципиально важны лишь две точки: точка включения (индукция магнитного поля, при которой выход переходит во включенное состояние) и точка выключения (наоборот), а также дифференциал, характеризующий гистерезис характеристики преобразования. Для повышения нагрузочной способности в схему датчика добавлен NPN, PNP транзистор с открытым коллектором или их комплементарная пара. Все цифровые датчики имеют встроенный стабилизатор питания, поэтому они не критичны к стабильности источника питания и уверенно работают в широком диапазоне питающих напряжений величиной от 3,8…30,0 В. Нагрузкой датчиков могут являться входы логических ИМС и микроконтроллеров, а также различные драйверы силовых коммутационных приборов. По типу передаточной характеристики цифровые датчики подразделяются на униполярные, Рисунок 13.14. Передаточная биполярные и неполярные. Униполярными считаются характеристика цифрового датчика те, у которых обе точки характеристики положительные
положения на эффекте Холла (южный полюс магнита). У биполярных датчиков точка
включения находится в области положительных индукций магнитного поля, а точка выключения - в области отрицательных индукций (северный полюс магнита). Для неполярных датчиков определяющим фактором для переключения является лишь величина вектора магнитной индукции.
е3) Датчики на эффекте Холла для измерения скорости вращения
Эта серия датчиков специально разработана для контроля скорости вращения и положения зубчатых колес и валов, Приборы объединяют в корпусе усилитель, триггер Шмидта, стабилизатор питания и постоянный магнит, Принцип действия основан на детектировании изменения плотности распределения магнитного потока в момент, когда ферромагнитный материал (зуб шестерни) проходит вдоль чувствительной поверхности датчика, Постоянство амплитуды выходного сигнала датчика, не зависящей от скорости вращения шестерни, позволяет фиксировать бесконечно малые скорости. Логический выход на NPN транзисторе с открытым коллектором обеспечивает повышенную нагрузочную способность приборов, Кроме этого, датчики характеризуются высокой
Рисунок 13.15. Датчик на эффекте помехоустойчивостью, хорошим отношением сигнал/шум,
Холла для измерения скорости наличием встроенных цепей защиты от случайной смены
вращения полярности напряжения питания и его резких выбросов.
е4) Датчики угла поворота для автомобильной и индустриальной электроники
предназначены для линейного измерения угла поворота оси (вала) в диапазоне 90°, при этом ось датчика может свободно вращаться в диапразоне 360°. Датчик включает специализированную магниточувствительную микросхему, схему обработки сигнала, схему защиты от случайной смены полярности и короткого замыкания по выходу и два постоянных магнита. Все эти компоненты заключены в герметичный пластиковый упрочненный корпус с разъемным соединителем. Выходной сигнал датчика линейный, пропорциональный углу поворота оси. Предназначены для измерения:
угла поворота дроссельной заслонки;
положение зеркала заднего вида;
е5) Твердотельные концевые микровыключатели на эффекте Холла представляют собой высокочувствительные бесконтактные концевые переключатели. Они предназначены для контроля конечного положения движущихся частей различных механизмов. Приборы состоят из ацетальсополимерного подвижного плунжера с постоянным магнитом и пружиной для возврата в исходное положение, рычага привода плунжера, датчика магнитного поля на эффекте Холла с цифровым выходом и стандартного разъемного электрического соединителя. В момент, когда контролируемый объект оказывает силовое воздействие на плунжер, вызывая его перемещение, постоянный магнит, закрепленный на плунжере, Рисунок 13.16. Твердотельные приближается к датчику Холла и вызывает его концевые микровыключатели переключение. Переключатели характеризуются
высокой чувствительностью плунжера, повышенной износостойкостью (до 100 миллионов !!! гарантированных срабатываний) и стабильным цифровым выходом (NPN, открытый коллектор) без "дребезга", за счет отсутствия механических контактов. Наряду с этим имеется схема защиты от случайной смены полярности напряжения питания,
Существуют другие методы определения положения с помощью бинарных датчиков, некоторые из которых приведены ниже:
Лекция №14.
Тема лекции: Первичные преобразователи (датчики) уровня.
Цель лекции: Знакомство с многообразием принципов действия датчиков уровня жидкости систем судовой автоматики.
Датчики уровня жидкости предназначены для контроля уровня жидкостей в различных резервуарах. В зависимости от типа приложения, где используется датчик, применяются контактный или бесконтактный метод измерений.
При контактном измерении (датчики поплавкового типа) датчик располагается непосредственно на стенке резервуара и переключает контакты при достижении водой уровня его размещения.
Измерения уровня жидкостей и твердых веществ могут осуществляться различными методами: магнитными измерениями, емкостными, оптическими, ультразвуковыми и др.
Подразделяют на
1. Механические
а) Поплавковые датчики – перемещение поплавка x механически передается указателю прибора. Погрешность мало зависит от плотности и температуры жидкости ≈ ±1мм.
Магнитный поплавковый уровнемер конструктивно состоит из измерительного стержня и поплавка. При изменении вертикального положения поплавка вдоль чувствительного стержня в результате подъема или спада уровня жидкости изменяется выходное сопротивление датчика. Т.о., выходной сигнал аналогового уровнемера прямо пропорционален уровню жидкости.
Области использования:
Линейные датчики уровня жидкости могут использоваться для измерения уровня топлива в бензобаках легковых автомобилей, мотоциклов, грузовиков, автобусов, яхт, судоходного транспорта и др.
б) Буйковые датчики – перемещение буйка x равно
где L – уровень жидкости;
z – жесткость пружины;
S – площадь контакта;
ρ – плотность жидкости;
g – ускорение свободного падения.
в) Гидростатические датчики. К ним относятся
в1) пьезометрические
– воздух (газ) через ротаметр подается в пьезометрическую трубку. Давление воздуха (газа) P измеряется манометром и характеризует положение уровня L в емкости.
в2) дифманометрические – уравнительный сосуд обеспечивает постоянный столб в одном колене дифманометра, высота столба в другой меняется с изменением уровня в емкости.
г) контактно-механические датчики – используется эффект торможения, возникающего в процессе соприкосновения среды с чувствительным элементом (зондом, щупом, крыльчаткой).
Точность измерения уровня сыпучих и консистентных сред ±10 мм,
2. Электрические датчики
а) емкостные – используют диэлектрические свойства контролируемых сред, т.е. токопроводящие жидкости (масла, бензин, керосин).
Применяются цилиндрические и плоские емкостные датчики. В зависимости от уровня L изменяется емкость С.
|
Цилиндрический (работает как конденсатор из двух цилиндров: 1-й – сама емкость, 2-й – стержень). |
Плоский: бак + электроды. |
Токопроводящие жидкости – стержень изолируется электроизоляционным слоем.
б) емкостные бесконтактные датчики предназначены для определения присутствия объектов, выполненных из различных материалов, как металлических, так и неметаллических (например, сыпучие материалы, жидкие, зернистые вещества) на расстоянии до 25 мм. Датчики определяют приближение и присутствие объектов и могут применяться для мониторинга уровня заполнения объемов с жидкостью или сыпучими материалами, а также для контроля внутреннего содержания закрытой упаковки. Датчики имеют широкий диапазон рабочих температур и большое расстояние срабатывания.
Емкостные датчики устойчивы к воздействию электромагнитных полей, соответствуют классу защиты IP 67/ IP 68 для работы в тяжелых условиях эксплуатации, а также имеют встроенную защиту от короткого замыкания и переполюсовки напряжения питания.
Датчики выполнены в цилиндрических и прямоугольных корпусах и могут монтироваться как заподлицо так и с возвышением над плоскостью установки.
в) омические датчики – работа основана на замыкании электрической цепи через контролируемую среду.
Применение: сигнализация уровня жидкости электропроводных жидкостей.
Одноэлектродный – на 1 уровень 2-х электродный – для нескольких уровней
г) индукционные датчики. Обмотка, располагаемая снаружи трубы и питается источником переменного тока I, располагается так, чтобы при изменении уровня жидкости она попадала в магнитное поле
3. Радиационные датчики
Работа основана на использовании явления изменения мощности излучения, проходящего через емкость от источника к приемнику при наличии или отсутствии контролируемого вещества (чаще γ- излучения).
Варианты
|
Максимального или минимального уровня (излучатель и приемник неподвижны). |
Непрерывное измерение уровня (для небольшого уровня до 1 метра) |
Непрерывное измерение уровня излучатель находится на поплавке. |
4. Ультразвуковые датчики
Работа основана на принципе отражения ультразвуковых колебаний со стороны жидкости. Уровень жидкости определяют по времени запаздывания отраженного сигнала относительно посланного t = ƒ(L).
1 – генератор импульсов;
2 – задающий генератор;
3 – приемный усилитель;
4 – измеритель времени.
Почти не существует материалов, которые не могут быть обнаружены ультразвуковыми датчиками. Поэтому ультразвуковые измерители – идеальное решение для определения положения и удаленности объекта в тяжелых условиях эксплуатации с точностью до миллиметра. Ультразвуковые датчики, в отличие от фотоэлектрических, не подвержены воздействиям окружающей среды и позволяют проводить измерения в запыленных, задымленных помещениях, а также в помещениях с высоким уровнем шума. Более того, датчики позволяют измерять расстояние до объектов любой формы, цвета и размера, а также выполненных из различных материалов. Диапазон срабатывания датчиков очень широк: от 100 мм до 6 м.
Преимущества ультразвуковых датчиков:
В отличие от других индикаторов уровня, которые имеют ряд ограничений по условиям применения, промышленные ультразвуковые преобразователи легко монтируются и обладают высокой точностью измерений.
Принцип измерений устройств основан на измерении времени прохождения импульса, отражающегося от поверхности объектов. Микроконтроллерный блок анализирует все полученные данные измерений и отбирает только те, которые соответствуют импульсам, отраженным от поверхности наполняемого материала. Дисплей устройства отображает действительные результаты измерений.
Ультразвуковые преобразователи позволяют измерять уровень наполнения, расстояние, объем, дифференциальные уровни, уровень потока открытых проточных линий. Выходные сигналы устройств могут быть использованы для управления насосами.
5. Оптические датчики уровня жидкости
Твердотельные оптические датчики уровня жидкости– это высокоточные, надежные и экономичные устройства, которые не имеют в своей конструкции подвижных частей. Датчики обеспечивают определение наличия или отсутствия жидкости и выдают цифровой сигнал при превышении ее уровня выше уровня монтажа датчика.
Одним из преимуществ оптических датчиков является использование инфракрасного диапазона, который не чувствителен к прозрачности жидкости и ее однородности. Единственным требованием к измеряемой среде является то, что она должна обеспечивать смачиваемость сферической поверхности датчика.
Конструкция датчика включает корпус (пластиковый или металлический) и полусферу, в которой находятся инфракрасный светодиод и фототранзистор с триггером.
Принцип работы цифровых датчиков уровня жидкости основан на различном преломлении инфракрасных лучей при прохождении через линзу в воздушной и жидкой средах. При отсутствии воды на поверхности полусферы лучи отражаются от линзы, в то время как в жидкой среде они проходят сквозь нее. Т.о., интенсивность излучения, принимаемая фотоприемником, значительно снижается.
Для тяжелых индустриальных приложений выпускается серия, устойчивых к большой разнице температур, повышенному давлению, вибрации и механическим воздействиям. Защитное покрытие таких датчиков выполнено в соответствии со стандартом IP67 с дополнительной защитой от переполюсовки и высокого напряжения. Они выполнены в корпусах из нержавеющей стали со стандартными ножевыми контактами.
Датчики монтируются на стенке резервуара на необходимом уровне контроля жидкости. При размещении нескольких датчиков на различной высоте можно контролировать сразу несколько уровней заполненности резервуара.
На заказ выпускаются датчики для внешнего и внутреннего монтажа.
6. Радарные дистанционные датчики уровня
Радарные измерители уровня нечувствительны к таким свойствам материалов, как диэлектрическая проницаемость, давление, вакуум, влажность, загрязнение, вязкость, пена и температура. Радарные устройства позволяют измерять до 4 функций: уровень, объем, верхнее и нижнее положение границы раздела.
Контактные радары с электродом генерируют высокочастотные радио импульсы, которые излучаются приемо-передающей антенной и отражаются от поверхности материалов. Интенсивность отражения зависит от соотношения диэлектрических проницаемостей материалов. Чем она выше, тем сильнее будет отражение, например, вода отражает до 80% энергии импульсов. Устройство измеряет время прохождения импульсов, которое пропорционально расстоянию.
При работе с материалами с диэлектрической проницаемостью более 1.8 устройства позволяют одновременно определять два параметра: уровень наполнения резервуара и определение границы разделов двух материалов (при условии, что первый слой имеет меньшую диэлектрическую проницаемость, чем второй, и разница между ними больше 10). Для измерений положения границы разделов материалов используется остаточная волна после первого отражения. Эта часть импульса проходит через слой первого материала и отражается от границы раздела следующего материала. Скорость этой волны зависит от диэлектрической проницаемости первого материала. Таким образом, для определения поверхности второго материала необходимо знать диэлектрическую проницаемость первого материала.
При измерении уровня материалов с низкой диэлектрической проницаемостю используется принцип донного погружения (TBF). Сначала волна с известной скоростью проходит область воздушной прослойки, а затем через слой материала, скорость прохождения в котором зависит от диэлектрической проницаемости. Поскольку ответный сигнал в воздушной среде калиброван, разница во временной составляющей напрямую пропорциональна уровню наполнения резервуара. Такой метод измерений является менее точным, чем первый.
Безэлектродные радары не чувствительны к давлению, температуре, вязкости, вакууму, пене, пыли или изменениям диэлектрической проницаемости измеряемых материалов. Радары позволяют измерять уровень практически любых материалов. Устройства интегрирует оба принципа измерений, позволяя автоматизировать процесс обработки любых материалов с любой диэлектрической проницаемостью.
Для измерений в технологических резервуарах со сложной внутренней структурой используется специальная технология «спектра пустого резервуара» (ETS), которая позволяет устранить нежелательные отражения от насосов, нагревателей и мешалок.
Индикатор уровня (level switch) срабатывает, если резервуар заполнен до заданной высоты. Принцип работы зависит от свойств контролируемого вещества - жидкость, цементный раствор, гранулы или пыль. Индикатор может либо показывать текущий уровень, либо выдавать сигнал, когда достигается заданный уровень. Поплавок, находящийся на поверхности жидкости, при достижении определенного уровня действует как концевой выключатель. Герконы являются идеальными выключателями для жидкой среды, поскольку они водонепроницаемы. На поплавке должен быть установлен магнит, чтобы вызвать срабатывание контактов геркона. Для той же цели часто используются фотоэлектрические датчики. Для твердых материалов применяются емкостные датчики приближения (proximity sensors). По мере повышения уровня заполнителя из пространства между стенкой сосуда и емкостным зондом вытесняется воздух и поэтому изменяется емкость образованного ими конденсатора, которую можно измерить стандартными методами. Уровень можно измерить и датчиком давления, помещенным на дно сосуда, поскольку величина давления у дна прямо пропорциональна высоте столба вещества. В этом случае может вырабатываться как аналоговый (индикация текущего уровня), так и бинарный (достигнут пороговый уровень) сигнал.
Лекция №15.
Тема лекции: Исполнительные устройства систем автоматики (электромагнитные устройства).
Цель лекции: Анализ характеристик исполнительных электромагнитных устройств систем автоматики.
В современных САУ широко применяются различные электромагнитные устройства. Весьма распространены регулирующие (исполнительные) органы с электромагнитным приводом, фрикционные тормоза с электромагнитным управлением, электромагнитные механизмы (ЭММ) систем защиты. Часто в схемах САУ встречается различная коммутирующая контактная аппаратура с электромагнитным приводом – реле, контакторы, переключатели. Они используются во всех функциональных блоках САУ. Выходными узлами релейно-контактных аппаратов являются контактные системы, коммутирующие электрические цепи с целью управления.
15.1. Нереверсивные ЭММ постоянного тока
Принцип действия. Структурная схема ЭММ
Электромагнитные механизмы являются пассивными преобразователями электрической энергии в механическую работу. В них использовано свойство намагниченных ферромагнитных тел притягиваться друг к другу. В ЭММ имеется катушка (или система катушек), состоящая из нескольких управляющих обмоток, и магнитопровод, выполненный из магнитно-мягких материалов (рис. 15.1). Магнитопровод состоит из неподвижных (основание, сердечник, корпус, ярмо) и подвижных (якорь, плунжер) частей, разделенных воздушными зазорами. При протекании тока по обмоткам управления в ЭММ (рис. 15.1, а, б) якорь 3 притягивается к сердечнику 2, совершая небольшое угловое или линейное перемещение. В ЭММ (рис. 15.1, в) плунжер 4 втягивается внутрь корпуса 1, двигаясь по немагнитной направляющей втулке 5. Поворотный якорь 3 ЭММ (рис. 15.1, г) совершает достаточно большое угловое перемещение. Имея кольцевую магнитную систему с несколькими поочередно включающимися обмотками управления (рис. 15.1, д), получаем ЭММ с неограниченным угловым перемещением якоря – так называемый шаговый электромагнитный двигатель.
Рисунок 15.1 Электромагнитные механизмы
Входным сигналом ЭММ является ток или напряжение на обмотках управления, выходным – механическое перемещение якоря, а нагрузочным параметром ЭММ – усилие или момент, действующий на якорь. Это усилие или момент называют тяговым усилие QT или тяговым моментом МТ. ЭММ преобразуют электрическую энергию, поступающую в обмотку управления, в механическую работу, с промежуточным преобразованием в энергию магнитного поля. ЭММ работают от постоянного или переменного тока. Они могут быть нереверсивными (нейтральными), у которых направление перемещения якоря не зависит от полярности (фазы) входного сигнала, и реверсивными (поляризованными), у которых при изменении полярности (фазы) входного сигнала направление перемещения якоря изменяется. Перемещения якоря или плунжера определяется соотношением между силой (моментом) тяги и силами (моментами) сопротивления. Сила тяги пропорциональна сигналу управления и зависит от параметров электрической и магнитной цепи ЭММ. Сила сопротивления ЭММ зависит от сил трения в них, массы подвижных частей, упругости возвратных пружин и т.п. Регулировочные характеристики подавляющего большинства ЭММ, представляющие собой зависимость перемещения якоря x от
напряжения управления Uy при постоянной силе сопротивления внешней нагрузки Qн, x = f (Uy) при Qн = const имеют релейный характер, поэтому, как правило, ЭММ являются преобразователями дискретного действия.
Условные обозначения нереверсивных ЭММ на электрических схемах показаны на рис. 15.2. На рис. 15.2, а – однообмоточные ЭММ, а на рис. 15.2, б – двухобмоточные.
а) б)
Рисунок 15. 2 Обозначения нереверсивных ЭММ на электрических схемах
Статические характеристики ЭММ
При протекании тока по обмотке управления с числом витков wy в ЭММ возникает магнитное поле, энергия которого Aм равна сумме энергии поля рабочих воздушных зазоров (Ам)δ и энергии поля стальных частей магнитной цепи (Ам)ст : Ам=(Ам)δ + (Ам)ст .
Начальное (исходное) положение якоря ЭММ соответствует максимальной величине рабочего зазора (δ =δ н). Если сила притяжения якоря к сердечнику ЭММ (сила тяги) больше противодействующей, то якорь притягивается к сердечнику, причем максимально возможное перемещение (∆δ)макс равно ∆хмакс=δн – δк, где δк – конечное значение рабочего зазора. При перемещении якоря совершается механическая работа за счет энергии, потребляемой от источника питания катушки.
Рис. 15.3 Тяговые характеристики для различных значений намагничивающей силы
Работа ЭММ происходит при наличии силы сопротивления (нагрузки) QС, которая зависит от перемещения якоря x. В зависимости от соотношения сил QТ и QС возможны различные режимы работы ЭММ: дискретный (релейный) или непрерывный. Для того чтобы определить режим работы ЭММ, нужно получить зависимость δ = f(Fу). Это удобно сделать, совмещая на одном графике семейство тяговых характеристик QТ = f(δ) при Fy = const и нагрузочную характеристику QC = f(δ), отражающую зависимость сил сопротивления QC от величины зазора δ. Последняя, как правило, является линейной, так как объектом сопротивления обычно является пружина.
Рассмотрим случай QС = const (рис. 15.3, а). Тяговые характеристики изображены для различных значений намагничивающей силы Fy, причем Fy1<Fy2<Fy3<Fy4. В исходном положении якоря ЭММ воздушный зазор равен δн. При увеличении сигнала управления на обмотке ЭММ увеличивается сила тяги QТ. При НС равной Fуср (верхняя пунктирная кривая) сила тяги QТ сравняется с силой сопротивления QС, и якорь сместится в конечное положение с воздушным зазором δк, причем на него будет действовать сила Q = QТ макс – QС. QТ макс – это максимальное значение силы тяги, соответствующее насыщенному состоянию магнитопровода.
Если теперь мы будем уменьшать управляющее воздействие на обмотку ЭММ, то при значении Fу отп1 (нижняя пунктирная кривая), якорь переместится в исходное начальное положение δн. Перемещение якоря при срабатывании и отпускании будет носить релейный характер, как показано на рис. 15.3, б.
Для позиционной нагрузки с силой сопротивления вида QC=Кпx (на рис. 15.3, а показана наклонной пунктирной прямой) регулировочная характеристика также будет релейной, но с более узкой петлей гистерезиса, так как отпускание якоря произойдет при НС равной Fотп2 .
В том случае, если крутизна характеристики нагрузки QC=Кпx будет превышать крутизну тяговой характеристики при всех положениях якоря, регулировочная характеристика будет непрерывной. На рис. 15.4,а показано семейство тяговых характеристик и нагрузочная характеристика QC=Кпx, соответствующих этому случаю, а на рис. 15.4,б – регулировочная характеристика.
Из рассмотренных примеров можно сделать следующие выводы. Характер работы ЭММ (непрерывный или релейный) зависит от соотношения крутизны тяговой и крутизны нагрузочной характеристики. Если крутизна нагрузочной характеристики меньше крутизны тяговой, то режим работы ЭММ релейный, причем ширина петли гистерезиса регулировочной характеристики зависит от крутизны нагрузочной характеристики. Чем больше крутизна нагрузочной характеристики (чем жестче возвратная пружина) тем уже петля гистерезиса.
Если крутизна нагрузочной характеристики при всех значениях δ превышает крутизну тяговой характеристики, то режим работы ЭММ непрерывный. Линейность регулировочной характеристики определяется конструкцией ЭММ. Если при некоторых значениях δ крутизна тяговой характеристики меньше, а при других значениях больше крутизны нагрузочной характеристики, то регулировочная характеристика будет иметь вид, показанный на рис. 15.4,в
а) б) в)
Рисунок 15.4 Тяговые, нагрузочная и регулировочные характеристика.
Релейный или непрерывный режимы работы ЭММ используются в зависимости от области применения. Так в случае, если ЭММ используется в качестве исполнительных механизмов, выходной величиной которых является линейное или угловое перемещение, то используется непрерывный режим работы. При этом используются, как правило, ЭММ плунжерного типа, которые обеспечивают большие перемещения плунжера и линейность характеристики.
15.2. ЭММ переменного тока
Статические характеристики ЭММ переменного тока
На рис. 15.5,а приведены временные диаграммы тока i и силы тяги q, из которых следует, что сила тяги пульсирует с частотой, равной удвоенной частоте напряжения питания. При достаточно массивном якоре или плунжере последние перемещаются под действием средней силы тяги, а переменная составляющая вызывает вибрации всех подвижных деталей и шум. При невысокой частоте питания и наличии противодействующей пружины относительно легкий якорь может совершать колебательные движения. (Такие ЭММ используются в различных вибраторах, прерывателях, зуммерах и т.п.)
а) б)
Рисунок 15.5. Временные диаграммы тока i и силы тяги q
Статические характеристики ЭММ с массивным якорем при питании от источника тока, определяемые выражением:
будут иметь тот же вид, что и у ЭММ постоянного тока, поскольку сигналом управления в обоих случаях является намагничивающая сила Fу=Iу wу.
Если же обмотка управления подключена к источнику напряжения , то условия работы ЭММ существенно изменятся.
Существенными недостатками ЭММ переменного тока с массивным якорем являются, во-первых, меньшая сила тяги, чем в ЭММ постоянного тока с такими же размерами магнитопровода, и, во-вторых, пульсация силы тяги, приводящая к быстрому разрушению шарнирных соединений в ЭММ и нагрузке, и к сильному шуму. Если первый недостаток является органическим следствием синусоидальной формы переменного тока и избавиться от него можно только переходя к переменному току прямоугольной формы, то второй недостаток можно существенно ослабить довольно простыми средствами, рассмотренными ниже.
Конструктивные особенности ЭММ переменного тока
Для уменьшения пульсации силы тяги, которая вызывает вредную вибрацию подвижных деталей, используют ЭММ с несколькими магнитными потоками, сдвинутыми по фазе относительно друг друга. Использование многофазной системы напряжений питания, например трехфазной, для создания многофазной системы магнитных потоков оправдано только для мощных ЭММ. Маломощные ЭММ желательно подключать к однофазной сети. В этом случае целесообразно использовать ЭММ с двухфазной магнитной системой при однофазном питании. На рис. 15.5,б приведена схема ЭММ, в котором фазовый сдвиг потока относительно Ф1 осуществляется путем сдвига тока. I2 по фазе относительно I1 с помощью конденсатора, включенного последовательно с обмоткой w2 .
На якорь электромагнита будет действовать сумма двух сил от потоков Ф1 и Ф2. Пульсация силы тяги будет равна нулю, если
Для выполнения этого условия необходимо, чтобы
В реальных электромагнитах в диапазоне полного перемещения якоря условие φ = π/2 выполнить практически невозможно, так как при перемещении якоря изменяется индуктивность обмоток, что приводит к изменению фазового сдвига между токами I1 и I2 (при постоянной величине емкости С). Обычно выбирают емкость конденсатора С из условия получения угла φ, близкого к π/2, при том положении якоря, которое он занимает большую часть времени работы.
Конструктивно и технологически более простым и экономичным способом получения сдвига фаз между двумя потоками является использование короткозамкнутых обмоток (электромагнитных экранов), которые охватывают часть магнитопровода. На рис. 15.6,а приведена схема ЭММ с таким экраном, а на рис. 15.6,б – векторная диаграмма для магнитной цепи. Поток в части магнитной цепи, охваченной витками короткозамкнутой катушки экрана wэ , определяется НС катушки управления wу и НС катушки экрана.
Рисунок 15.6. ЭММ переменного тока с короткозамкнутой обмоткой
Из векторной диаграммы следует, что угол φ в данной схеме невозможно сделать равным π/2, так как φ = π/2 может быть только при ψ=0 и при Фэ→ ∞, что потребует Iэ→ ∞.
Последнее условие соответствует бесконечно большой мощности, выделяемой в катушке экрана. Необходимо также учитывать, что при установке экрана снижается регулирующий поток, и, следовательно, несколько уменьшается сила тяги ЭММ.
15.3. Реверсивные электромагнитные механизмы
Принцип действия реверсивных ЭММ
Реверсивными ЭММ постоянного тока (поляризованными) называют ЭММ, у которых направление перемещения якоря или плунжера зависит от полярности сигнала управления. Реверсивными ЭММ переменного тока называют ЭММ, у которых направление перемещения якоря определяется фазой напряжения управления. Из реверсивных ЭММ в автоматических устройствах относительно широко используются ЭММ постоянного тока, поэтому только они и будут рассмотрены ниже.
.
а) б) в)
Рисунок 15.7. Поляризованный электромагнит
Работа реверсивного ЭММ постоянного тока основана на сравнении направления управляющего потока Фу, создаваемый обмоткой управления, с направлением вспомогательного так называемого поляризующего потока Фп, создаваемого постоянным магнитом или вспомогательной обмоткой. Все конструктивные разновидности реверсивных ЭММ по конфигурации магнитной цепи можно разбить на дифференциальные и мостовые.
На рис. 15.7,а приведен поляризованный электромагнит с дифференциальной магнитной цепью. На рис. 15.7,б дана схема поляризованного электромагнита с мостовой магнитной цепью. Якорь электромагнита размещен в зазоре, образованном двумя полюсами сердечника.
Таким образом, в поляризованном ЭММ имеются два рабочих зазора, через которые проходят и поляризующий, и управляющий потоки, но в одном из зазоров они направлены согласно, а в другом – встречно. Поэтому результирующая сила, действующая на якорь, по величине и направлению зависит от величины и направления потока управления. Условное обозначение реверсивных ЭММ на электрических схемах показано на рис. 15.7,в.
15.4. Временные характеристики электромагнитных механизмов
Динамические характеристики ЭММ, определяющие закон изменения положения якоря или плунжера и связанной с ним нагрузки при известном законе изменения во времени управляющего сигнала, могут быть получены решением дифференциальных уравнений. Даже при весьма грубых допущениях переходные процессы в большинстве ЭММ
описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, поэтому для определения динамических характеристик используют приближённые методы. Динамические свойства ЭММ дискретного действия обычно оценивают временем срабатывания и временем отпускания (интервалы времени между моментами скачкообразного изменения управляющего сигнала и окончания движения якоря из одного крайнего положения в другое). Поскольку при проектировании и наладке систем автоматики с ЭММ часто требуется изменение этих параметров, например, для согласования с другими элементами системы нужно проанализировать физические процессы, протекающие во время срабатывания и отпускания ЭММ и методы воздействия на них с целью изменения в нужном направлении.
Переходные процессы в ЭММ при срабатывании
Дискретный режим работы ЭММ в большинстве случаев обеспечивается выбором соответствующей характеристики нагрузки. Для упрощения схемы управления электромагнитом обычно используют дискретные управляющие сигналы, хотя такой ЭММ будет работать в релейном режиме и при непрерывном управляющем сигнале. Рассмотрим методику определения динамических характеристик ЭММ дискретного действия на примере ЭММ постоянного тока, управляемого с помощью контактного или бесконтактного ключевого элемента К (рис. 15.8).
Рисунок 15.8. Динамические характеристики ЭММ дискретного действия
При замыкании ключа К в момент времени t1 на обмотку управления Wу ЭММ скачком подается рабочее напряжение Uр (рис. 15.8,б). Ток и НС начнут нарастать по экспоненте с постоянной времени Tун до момента времени t2 , когда сила тяги QТ станет равной начальной силе сопротивления Q0. С этого момента времени начнётся движение якоря под действием разности сил QТ – Q0 (рис.15.8, в). Значения тока соответствующее этому условию, называют током срабатывания (Iср, Fср= Iср wу).
Дальнейший закон изменения тока и НС можно найти решением нелинейных дифференциальных уравнений, что сложно, поэтому изменение тока и НС рассмотрим качественно. Кроме противоЭДС, обусловленной изменением тока, в обмотке управления дополнительно наводится противоЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитной проводимости. Поэтому ток после t = t2 может уменьшаться, причём тем сильнее, чем больше скорость движения якоря. Поток же продолжает увеличиваться и после t2, так как уменьшается магнитное сопротивление. Следовательно, и сила тяги также продолжает увеличиваться, обеспечивая ускоренное движение якоря. В момент времени t3 якорь достигает своего конечного положения и останавливается, и с этого момента времени ток и НС изменяются по экспоненте, но с постоянной времени, соответствующей большему значению индуктивности катушки при δ = δк.
Интервал времени от момента подачи управляющего напряжения t1 до момента окончания движения якоря t3 называют временем срабатывания ЭММ tср = t3 -t1. Его можно разделить на
два интервала: время трогания при срабатывании, т. е. от момента подачи напряжения до начала движения якоря (tтр=t2 - t1), и время движения при срабатывании (tдв=t3 - t2). Таким образом, tср= tтр+ tдв.
Время трогания при срабатывании может быть найдено аналитически достаточно просто при известных токах срабатывания tср и рабочем токе tр. Действительно, ток Iу в обмотке изменяется по экспоненте и достигает значения Iср
при
Время движения tдв при срабатывании аналитически определяется сложнее. Экспериментально время срабатывания ЭММ легко определяем по осциллограмме тока, используя характерный излом на кривой тока в момент окончания движения якоря (t = t3, рис. 15.8,б).
Переходные процессы в ЭММ при отпускании
Выключение электромагнита размыканием ключа К (рис. 15.8,а) сопровождается появлением больших перенапряжений на обмотке управления и на ключе.
Действительно, если сопротивление ключевого элемента изменяется от весьма малого Rмин 〈〈 Rу в замкнутом (включенном) состоянии до очень большого Rмакс 〉〉 Rу в разомкнутом (выключенном) состоянии за время, ∆t 〈〈 Tу то благодаря наличию индуктивности ток в цепи за ∆t существенно измениться не сможет, и падение напряжения на ключевом элементе изменится с Iр Rмин почти до Iр Rмакс, которое может в десятки раз превышать напряжение питания Uр. На обмотке управления перенапряжение приблизительно равно IрRмакс–Uр. Величина перенапряжений зависит также от величины распределённой ёмкости обмотки ЭММ и паразитной ёмкости ключевого элемента, поэтому на приведённые выражения нужно смотреть как на качественную оценку процесса выключения. При использовании контактных ключей появление перенапряжений в момент выключения может привести к искровому или дуговому разряду на контактах, которые, поглощая часть энергии, накопленной в магнитном поле ЭММ, снижают перенапряжения. При применении же в качестве ключей бесконтактных элементов, особенно полупроводниковых приборов в ключевом режиме, появление перенапряжений на ключах может привести к выходу последних из строя в результате пробоя. В этом случае рекомендуется шунтировать обмотку управления встречно включённым “обратным” диодом, показанным на рис. 15.8,а пунктиром.
Если выключить обмотку, зашунтированную диодом Д0, то после разрыва цепи питания обмотка оказывается закороченной весьма малым прямым сопротивлением Д0 и по ней протекает ток
где Tк - электромагнитная постоянная времени ЭММ при конечном положении якоря (δ = δк).
В отсутствие сигналов на других обмотках катушки управления по такому же закону будет изменяться и НС катушки при этом якорь вначале остается неподвижным, занимая конечное положение. Когда Fу уменьшится до такого значения, при котором сила тяги станет меньше сил сопротивления (QС)к при δ = δк, начнется движение якоря под действием разности сил QС – QТ. Значения тока и НС называют током и НС отпускания.
Можно найти время трогания при отпускании
Во время движения якоря возникает дополнительная ЭДС, пропорциональная скорости его перемещения. Эта ЭДС направлена согласно с током, поэтому после начала движения якоря ток и НС могут увеличиваться (рис. 15.9). После возвращения якоря в начальное положение (δ = δн, х=0) ток и НС спадают по экспоненте с постоянной времени Тн.
а) б)
Рисунок 15.9. Временные диаграммы токов
Время движения при отпускании, так же как и при срабатывании, легче определяется экспериментально. Если выключение ЭММ производят в отсутствие Do, причем время коммутации ∆t<<Tк, можно принять, что ток iy в обмотке управления прекращается мгновенно (рис. 15.9, б). Но поток мгновенно не может уменьшиться, его будут поддерживать вихревые токи в магнитопроводе и токи в закороченных обмотках.
Если ЭММ имеет одну обмотку управления, то поток будут поддерживать одни вихревые токи в магнитопроводе (Fy = Fвт). В остальном процесс отпускания носит тот же характер, что и при наличии D0, только время отпускания меньше, так как при выключенной обмотке меньше постоянная времени Тк.
Время срабатывания и время отпускания ЭММ малой и средней силы тяги (от единиц до нескольких сотен ньютон) составляют 5 − 50 мс.
Изменение временных характеристик ЭММ
При использовании ЭММ в САУ часто возникает задача изменения их временных параметров как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Такие ЭММ называют ускоренными или замедленными (на срабатывание или отпускание, или на срабатывание и отпускание). Иногда задача создания таких ЭММ решается при их изготовлении, но довольно часто приходится решать ее при разработке и монтаже САУ из серийных ЭММ с нормальными временными параметрами. Время срабатывания и отпускания можно изменить за счет изменения времени трогания и времени движения. Время трогания определяется величинами электромагнитной постоянной времени и коэффициентов запаса по токам или НС срабатывания и отпускания, и для ЭММ на малые и средние силы тяги его можно простыми средствами изменять в 3-5 раз в сторону увеличения и в 1,5-3 раза в сторону уменьшения. Время движения определяется в большей степени переходными процессами в механической цепи ЭММ, чем в электрической. Используя различного рода механические тормозы, демпферы и маятниково-спусковые механизмы, возможно значительно увеличить время срабатывания и отпускания. Таким путем идут при создании реле времени (таймеров) с временем срабатывания и отпускания, измеряемыми секундами, минутами и более. Этот метод предполагает изменение конструкции ЭММ, что практически исключается при монтаже схем из серийных ЭММ. Поэтому остановимся только на изменении времени трогания путем различных схем включения обмоток ЭММ. Ясно, что при этом будет в некоторой степени изменяться и время движения, но это можно не учитывать.
Рассмотрим некоторые методы изменения временных параметров ЭММ.
Уменьшение времени срабатывания. Уменьшение времени срабатывания за счет уменьшения времени трогания при срабатывании можно осуществить за счет уменьшения электромагнитной постоянной времени и увеличения коэффициента запаса по срабатыванию. Минимальную постоянную времени можно получить, используя у ЭММ с многообмоточной катушкой только одну обмотку минимального объема, поскольку постоянная времени обмотки пропорциональна ее объему. В этом режиме обмотка управления должна выбираться из условий максимальной тепловой нагрузки для получения высокого значения коэффициента запаса по току срабатывания. Если же после срабатывания вводить в цепь обмотки управления дополнительное сопротивление, ограничивающее ток до допустимой величины, то коэффициент запаса можно иметь значительно больше. Чтобы не ставить специальных управляющих элементов для введения дополнительного сопротивления Rдоп, используют нелинейные сопротивления (например, термисторы, рис. 15.10,а) или шунтируют это сопротивление емкостью (рис. 15.10,б). На рис. 15.10,в Rдоп шунтируется вспомогательным размыкающим контактом РК, который размыкается после срабатывания ЭММ. Такая схема удобна при уменьшении времени срабатывания электромагнитного реле, у которого в контактной группе имеется лишний размыкающий контакт.
Рисунок 15.10. Изменение времени срабатывания и отпускания
Уменьшение времени отпускания. Минимальное время отпускания имеют ЭММ, выключаемые разрывом цепи обмотки без шунтирования ее. Время отпускания можно уменьшить, снижая рабочий ток ЭММ введением, например, в цепь обмотки дополнительного сопротивления. Нужно только учитывать, что это снижает надежность срабатывания ЭММ.
Увеличение времени срабатывания и отпускания. Замедлить ЭММ возможно путем увеличения постоянной времени Ту и уменьшения величины рабочего тока Ip. Уменьшение Ip ограничено требованиями надежности работы ЭММ при колебаниях напряжения питания и параметров нагрузки. Кроме того, уменьшение Ip влияет на tcp и toтп с разными знаками. Поэтому большей частью для замедления ЭММ увеличивают Ту, используя электромагнитное экранирование и R-C цепи. На рис. 15.11,а приведена схема, позволяющая увеличить время срабатывания и отпускания двухобмоточного ЭММ.
Изменяя величину сопротивления в цепи второй обмотки, играющей в данном случае роль электромагнитного экрана, можно увеличить tcp и toтп не более, чем в 2-3 раза, в зависимости от объемов обмоток. При необходимости увеличения только tcp или только toтп в цепь экрана вводят вентиль с соответствующей полярностью включения (рис. 15.11,б). Схема рис. 15.11,в позволяет увеличить в небольших пределах (1,5-2 раза) toтп однообмоточных реле. В большее число раз (до t~1c) позволяет увеличить tcp и toтп схема рис. 15.11,г, в которой при включении ЭММ tcp пропорционально RдопC, а при выключении toтп пропорционально RyC.
Рисунок 15.11 Дополнительные схемы замедления
Выбирая элементы схемы (Rдоп, C), необходимо учитывать величину индуктивности ЭММ, чтобы переходные процессы в системе были апериодическими, а не колебательными.
Некоторые ЭММ, например электромагниты нереверсивных (нейтральных) реле, имеют электромагнитные экраны, устанавливаемые при их изготовлении (так называемые замедленные реле). Если экран выполняется в виде медной гильзы, надеваемой на сердечник реле, или в виде массивной медной шайбы, надеваемой на сердечник у рабочего воздушного зазора, то он увеличивает приблизительно одинаково tcp и toтп. Если же шайбу экрана расположить на сердечнике около основания, то toтп увеличивается значительно больше tcp.
В ЭММ переменного тока при дискретном сигнале время нарастания потока зависит не только от электромагнитной постоянной времени ЭММ, но и от момента включения напряжения
относительно начала полуволны (при синусоидальном напряжении питания). Можно считать, что практически при любом моменте включения напряжения на обмотку ток и поток достигают значения тока и потока срабатывания за время не более 0,25÷0,5 периода. При частоте 50 Гц это составляет 5-10 мс. Время же движения ЭММ переменного тока благодаря большей массе якоря обычно превышает время движения ЭММ постоянного тока. В целом tcp и toтп ЭММ переменного тока несколько больше tcp и toтп ЭММ постоянного тока на ту же силу тяги.
Лекция №16.
Тема лекции: Исполнительные устройства систем автоматики (исполнительные электрические двигатели).
Цель лекции: Анализ характеристик исполнительных электрических двигателей систем автоматики.
16.1. Классификация электрических двигателей
Электрические двигатели по своему функциональному назначению можно разделить на две группы.
1. Исполнительные двигатели, которые используются для выполнения функциональных преобразований. Подводимый к ним электрический сигнал преобразуется в угловую скорость или перемещение вала.
2. Вспомогательные двигатели, в которых скорость вращения вала остается постоянной. Такие двигатели используются как источники механической энергии в различных механизмах (транспортеры, лифты и т.п.).
Требования, предъявляемые к этим двум группам двигателей, могут существенно отличаться. Ряд требований может быть общим. С точки зрения использования в системах автоматического регулирования (САР) нас будут интересовать исполнительные двигатели. Основными требованиями, предъявляемыми к исполнительным двигателям, являются следующие:
Такие требования, как высокий коэффициент полезного действия, технологичность конструкции, долговечность, надежность, малые габариты и вес являются общими для обеих групп двигателей.
По конструкции и принципу действия электрические исполнительные двигатели (ИД) подразделяются на коллекторные и бесколлекторные.
Коллекторные ИД по подводимому к ним электрическому (управляющему) сигналу можно разделить на двигатели постоянного тока и универсальные двигатели. По конструктивным особенностям коллекторные двигатели подразделяются на двигатели: с барабанным якорем; с полым немагнитным якорем; с дисковым якорем.
Бесколлекторные двигатели являются в основном двигателями переменного тока, однако это деление весьма условно. Так, среди двигателей постоянного тока можно выделить бесколлекторные двигатели, в которых коллектор заменен электронным коммутатором. А среди двигателей переменного тока можно отметить синхронные двигатели с активным ротором, у которых напряжение возбуждения на ротор подается через коллекторные кольца.
Асинхронные двигатели (АСД) являются двигателями переменного тока и различаются в основном конструкцией ротора. По этому признаку их можно подразделить на следующие группы:
Синхронные двигатели (СД) также являются двигателями переменного тока и по принципу действия подразделяются на двигатели с активным ротором, реактивные и гистерезисные. К синхронным двигателям следует отнести шаговые двигатели (ШД), которые являются преобразователями дискретного действия. Перемещение вала ШД на определенный шаг соответствует приходу единицы управляющего сигнала (одному импульсу). 5.2.5.
16.2 Импульсное управление ИДПТ
При непрерывном управлении ИДПТ на выходных каскадах усилителя выделяется мощность, сравнимая с мощностью управляемого двигателя. При мощностях двигателя в несколько десятков или сотен ватт выходные каскады усилителя мощности должны выполняться с эффективными радиаторами для отвода тепла. Это удорожает конструкцию, увеличивает габариты и уменьшает надежность усилителя мощности. В качестве альтернативы, устраняющей эти недостатки, применяется импульсное управление ИДПТ.
Мощность, выделяемая на выходных каскадах при импульсном управлении, в десятки раз меньше, чем при непрерывном управлении. Это объясняется тем, что они работают в режиме ключей (открыт - закрыт), и мощность, выделяемая выходными транзисторами (тиристорами), определяется произведением тока в открытом состоянии на напряжение насыщения, составляющее обычно 0,5÷2 В. Для маломощных двигателей (десятки ватт) выходные ключи можно использовать без радиаторов, а при больших мощностях обойтись небольшими радиаторами.
Сущность импульсного управления состоит в том, что регулирование скорости вращения достигается не за счет изменения напряжения управления, подводимого к якорю двигателя, а за счет изменения времени, в течение которого подводится номинальное напряжение UЯном. На якорь двигателя подается последовательность импульсов амплитудой UЯном. Длительность импульсов tИ или период их следования T изменяются так, что изменяется относительное время подключения напряжения к якорю. Во время импульса скорость ω будет увеличиваться, а во время паузы уменьшаться за счет торможения моментом нагрузки или специального режима торможения. В результате скорость ω будет колебаться около некоторой средней скорости ωСР, величина которой зависит от относительной длительности импульсов
ε = . (рис. 16.1)
Рисунок 16.1. Импульсное управление ИДПТ
Если во время паузы якорь не тормозится, то скорость вращения будет непрерывно увеличиваться и достигнет значения скорости холостого хода (на рис.16.1 показано пунктиром).
Величина колебаний угловой скорости ω относительно установившегося значения ωСР зависит от соотношения периода следования импульсов T и электромеханической постоянной времени TМ. При T << TМ величина колебаний ∆ω будет незначительной.
Основные схемы импульсного управления ИДПТ представлены на рис. 16.2. Вместо контактов реле используются транзисторные или тиристорные ключи. При наличии механического торможения можно использовать схему управления с разрывом цепи якоря во время паузы (рис. 16.2, а). Если механического торможения нет, то можно использовать схему с динамическим торможением во время паузы между импульсами (рис. 5.34, б). Во время паузы якорь закорачивается или в его цепь включается дополнительное сопротивление (показано пунктиром).
На рис. 16.2,в приведена схема управления двуполярными импульсами, позволяющая осуществить реверсивное управление ИДПТ.
Режим работы двигателя существенно зависит от выбора периода следования импульсов управления T, а именно, от его соотношения с постоянными времени двигателя. Время разгона и торможения двигателя определяется электромеханической постоянной времени TМ, которая зависит от инерционности якоря и нагрузки.
Рисунок 16.2. Основные схемы импульсного управления ИДПТ
Процесс установления тока в обмотке якоря определяется электрической постоянной времени якоря TЯ=LЯ/RЯ. Причем обычно TЯ << TМ.
Рассмотрим сначала крайние случаи выбора T.
1. Если T > TМ > TЯ, то все процессы, в том числе и установление скорости вращения заканчиваются за время длительности импульса, а за время паузы скорость вращения успевает упасть до нуля. Временные диаграммы работы двигателя в этом режиме приведены на рис. 16.3. При таком выборе T мы будем иметь режим включения и выключения двигателя, а не режим импульсного управления.
2. Второй крайний случай будет иметь место при T << TЯ < TМ. В этом случае при использовании схемы рис. 16.2,б или 16.2, в установится режим непрерывных токов, так как за счет индуктивности якоря ток во время паузы будет протекать в том же направлении, что и во время импульса. Якорь в данном случае действует как линейный фильтр нижних частот. Он реагирует только на постоянную составляющую импульсов напряжения, которая равна:
Рисунок 16.3 Временные диаграммы работы двигателя при T > TМ > TЯ
За период следования импульсов ток якоря IЯ и момент M изменяются незначительно, и можно использовать основное уравнение двигателя для непрерывного управления (5.8), в которое вместо UЯ нужно подставить UЯ ср
Введем относительные величины для скорости вращения и момента: относительную скорость вращения (отношение угловой скорости к скорости холостого хода при UЯ = UЯ ном):
и относительный момент (отношение действующего момента к пусковому моменту при UЯ = UЯном):
Получим уравнение двигателя в относительных единицах при импульсном управлении:
λω = ε − λM.
Статические характеристики в относительных единицах для импульсного управления при T<<TЯ приведены на рис. 16.4. Из рисунка видно, что характеристики линейны и полностью соответствуют характеристикам при непрерывном управлении, если напряжение якоря UЯ выражать в относительных единицах.
Рисунок 16.4. Статические характеристики в относительных при T<<TЯ
Кроме того, в рассматриваемом случае двигатель работает плавно из-за отсутствия пульсаций момента M и скорости вращения ω.
3. Когда период следования импульсов удовлетворяет условию TЯ < T < TМ. В этом случае за время tИ ток якоря успевает установиться, а скорость вращения ω изменяется незначительно относительно среднего значения ωСР.
Временные диаграммы для этого случая приведены на рис. 16.5. Если используется схема рис. 16.2,а (с разрывом цепи), то диаграмма IЯ показана сплошной линией (при окончании импульса ток падает до 0). .
Для схемы рис. 16.2,б диаграмма тока во время паузы изображена пунктиром (динамическое торможение). Во время импульса ток якоря нарастает с постоянной времени TЯ и достигает величины
Во время паузы при динамическом торможении ток якоря падает с постоянной TЯ до значения
Рисунок 16.5 Временные диаграммы
работы двигателя при TЯ < T < TМ
Выводы. При импульсном управлении ИДПТ период следования импульсов управления T должен быть существенно меньше электромеханической постоянной времени двигателя TМ. Если это требование не выполняется, то пульсации угловой скорости вращения будут слишком велики.
При управлении без разрыва цепи якоря и выполнении условия T<<TМ ИДПТ можно рассматривать как линейный фильтр нижних частот, который реагирует только на постоянную составляющую импульсов управления (UЯ ср).
При управлении с разрывом цепи якоря или при динамическом торможении с использованием RД в цепи якоря система получается нелинейной: во время tИ одни параметры (RЯ), а во время паузы − другие (RЯ + RД или ∞). В этом случае двигатель нельзя рассматривать как линейный фильтр нижних частот.
16.3. Асинхронные двигатели
Принцип действия асинхронного двигателя
Необходимым условием реализации асинхронного двигателя (АСД) является наличие вращающегося магнитного поля. Вектор магнитного потока Ф поворачивается и описывает своим
концом круг или эллипс. Ротор АСД выполняется короткозамкнутым, например в виде «беличьей клетки». В нем наводится ЭДС и течет ток, который взаимодействует с вращающимся магнитным полем. Возникающий при этом момент поворачивает ротор вслед за магнитным полем.
Для получения вращающегося магнитного поля необходимо иметь по, крайней мере, две обмотки возбуждения или две фазы. На рис. 16.6,а условно показаны две обмотки (фазы) АСД, расположенные в пространстве под углом β = 90°. На обмотки подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на угол ϕ = 90° (рис. 16.6,б). На рис. 16.6,в показано положение суммарного вектора магнитного потока в пространстве в различные моменты времени. Очевидно, что за один период питающего напряжения вектор магнитного потока повернется на 2π радиан, т.е. он будет вращаться с частотой сети ωС.
а) б) в)
Рисунок 16.6. Возбуждение асинхронного двигателя (АСД)
Из этих рассуждений можно сделать следующие выводы:
Количество фаз возбуждения n может быть и более двух. Условие получения кругового магнитного поля для n > 2 записывается в виде:
где Фmn − амплитуда магнитного потока от n-й фазы;
ϕ n-1,n − сдвиг фаз напряжений, питающих (n-1)-ую и n-ую фазу (обмотку возбуждения);
β n-1, n − пространственный сдвиг между (n-1)-й и n-й фазами (обмотками возбуждения).
Данное условие не выполняется только для двухфазного двигателя (n = 2). В этом случае в формулы нужно подставлять n = 4.
Методы управления АСД при круговом поле
Амплитудный метод управления. При этом методе управления изменяется амплитуда напряжения на всех фазах двигателя одновременно. При этом выполняются все условия существования кругового поля перечисленные выше.
При изменении амплитуды питающих напряжений Um максимальный момент Mмакс изменяется пропорционально Um2. Тогда семейство механических характеристик для различных Um и Sкр<1 будет иметь вид, показанный на рис. 16.7,а. Sкр при этом не изменяется, так как основные параметры, от которых оно зависит, не изменяются. Все характеристики имеют одну общую точку ω=ωс, M=0. Она соответствует холостому ходу, когда ротор вращается со скоростью магнитного поля. По семейству механических характеристик можно построить регулировочную характеристику для заданного момента нагрузки. На рис. 16.7,б изображены регулировочные характеристики для M=0 и M1>0. Из рисунка видно, что на холостом ходу скорость
а) б)
Рис. 16.7. Механическая и регулировочная характеристики Sкр<1
АСД не регулируется данным методом, а при наличии момента нагрузки регулировочная характеристика нелинейна, имеет зону нечувствительности и гистерезис. Регулирование скорости возможно в небольшом диапазоне ∆ω.
На рис. 16.8, а приведены механические характеристики АСД при Sкр>1, а на рис. 16.8,б – регулировочные характеристики. Как и в предыдущем случае, на холостом ходу скорость не регулируется, имеется зона нечувствительности при M>0. Однако регулировочная характеристика имеет плавный вид и обеспечивает регулирование скорости в большом диапазоне, начиная от 0.
а) б)
Рис. 16.8. Механическая и регулировочная характеристики Sкр>1
Частотный метод управления. Управляющее устройство должно обеспечить изменение частоты ωс питающих напряжений при сохранении условий существования кругового поля.
При изменении частоты питающих напряжений ωС нужно иметь ввиду следующее:
1) ωхх = ωС, поэтому с ростом ωC механические характеристики будут подниматься;
2) Sкр будет уменьшаться с ростом ωС (так как увеличиваются индуктивные сопротивления X1 и X2′);
3) максимальный момент Mмакс обратно пропорционален ωС2 (при условии R1 < (X1+X2′)).
На рис. 16.9,а представлено семейство механических характеристик, а на рис. 16.9,б – регулировочных характеристик при частотном методе управления.
а) б)
Рис. 16.9. Механические и регулировочные характеристик при частотном методе управления.
Характеристики приведены в относительных единицах:
Регулировочные характеристики линейны, однако регулирование скорости, начиная от 0, затруднительно из-за сложности получения малых частот. Кроме того, с ростом ωС уменьшается Mмакс, что может привести к остановке двигателя при некоторой частоте ωС1. Если после этого уменьшать частоту ωС, то двигатель начнет вращаться при частоте ωС2, когда пусковой момент сравняется с моментом нагрузки.
Амплитудно-частотный метод управления. При этом методе управления одновременно изменяются амплитуда и частота напряжений на фазах двигателя таким образом, что отношение
остается постоянным. Следовательно, остается постоянным и значение максимального момента Mмакс, которое пропорционально отношению .
Механические характеристики приведены на рис. 16.10,а, а регулировочные – на рис. 16.10,б.
а) б)
Рис. 16.10. Механические и регулировочные характеристик при амплитудно-частотном методе управления.
Следует отметить, что жесткость механических характеристик не изменяется, а регулировочные характеристики практически линейны, и коэффициент передачи двигателя постоянен.
Недостатком метода является сложность реализации устройства управления, которое является даже более сложным, чем при частотном методе управления.
Конструктивные разновидности АСД
Статор АСД выполняется с двумя или тремя обмотками возбуждения (две или три фазы). Количество пар полюсов на одну фазу может быть от одного до трех. Полюса могут быть явно выраженными (как у ИДПТ) или распределенными по окружности статора. Магнитопровод статора выполняется «шихтованным» для уменьшения потерь на вихревые токи. Разновидности АСД в основном отличаются друг от друга конструкцией ротора. В зависимости от конструкции ротора различают три основных типа АСД: с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка», с полым немагнитным ротором и полым ферромагнитным ротором.
Ротор типа «беличья клетка» представляет собой ферромагнитный барабан, в пазы которого залит алюминий или медь, образуя короткозамкнутый ротор. Магнитопровод шихтован, т. е. набран из изолированных друг от друга стальных листов.
Воздушный зазор между статором и ротором удается уменьшить до 0,03÷0,05 мм, что обеспечивает снижение намагничивающего тока и, следовательно, электрических потерь в статоре, увеличения КПД. Двигатели этого типа имеют КПД не более 60 %. Недостатком этих двигателей является большая электромеханическая постоянная времени TМ из-за большого момента инерции ротора. Так для двигателей мощностью 15÷20 Вт постоянная времени TМ=0,2÷1,0с.
Полый немагнитный ротор позволяет значительно уменьшить Tм. Конструкция такого АСД похожа на конструкцию ИДПТ с полым ротором за исключением коллектора, который в данном случае отсутствует. Ротор АСД представляет собой полый алюминиевый стакан, внутри которого находится неподвижный внутренний статор, который набирают из листов электротехнической стали. Толщина стенок ротора в зависимости от мощности двигателя лежит в пределах от 0,1 до 1,0 мм.
Полый алюминиевый ротор имеет очень малый момент инерции, что существенно уменьшает TМ двигателя. Уменьшение массы ротора и, соответственно, трения в подшипниках, а также гладкая цилиндрическая поверхность ротора способствуют снижению уровня шумов и уменьшению напряжения трогания двигателя.
Недостатком двигателя с полым немагнитным ротором является большой немагнитный зазор в магнитопроводе (0,5÷1,5 мм), состоящий из двух воздушных зазоров и немагнитной стенки ротора. Из-за большого немагнитного зазора такие двигатели имеют значительный намагничивающий ток и большие потери в обмотках двигателя. КПД таких двигателей не превышает 35 %, а габаритные размеры в 1,2÷2 раза больше, чем у двигателей с ротором типа “беличья клетка” одинаковой мощности.
Использование полого ферромагнитного ротора позволяет уменьшить немагнитный зазор, при этом отпадает необходимость во внутреннем статоре, так как магнитный поток замыкается непосредственно по ротору. Чтобы материал ротора не насыщался, его делают более толстостенным. Это приводит к увеличению момента инерции ротора и увеличению TМ.
Список использованной литературы