Разрешающая способность этого датчика равна 2 страница

По измеряемому параметру вибрации различают следующие ВП:

· виброметры, измеряющие амплитуду вибраций на транспорте, машинах и сооружениях;

· велосиметры, измеряющие виброскорость, характеризующую интенсивность колебаний;

· акселерометры, измеряющие виброускорение, характеризующее величину инерционных нагрузок, возникающих в объектах.

Ниже рассматривается устройство и принцип действия датчиков вибраций.

Датчик виброперемещения (рис. 2.48) состоит из корпуса, внутри которого размещены сейсмическая масса m, пружина с жесткостью С, гаситель колебаний с коэффициентом демпфирования β и индуктивный преобразователь виброперемещений ИП в электрическую величину. Обмотки ИП включаются по схеме дифференциального индуктивного преобразователя (подключаются к трансформатору со средней точкой вторичных обмоток). Сигнал на выходе измерительной схемы будет пропорционален амплитуде колебаний объекта.

Корпус датчика крепится к объекту и перемещается вместе с ним. Индуктивный преобразователь измеряет перемещение массы относительно корпуса, так как его обмотки перемещаются вместе с корпусом относительно сердечника, жестко связанного с сейсмической массой. На массу действуют сила пружины, пропорциональная относительному перемещению массы, сила демпфирования, пропорциональная относительной скорости , движения массы и сила инерции, пропорциональная абсолютному ускорению массы. Таким образом, уравнение движения массы можно записать в виде

Су + β = m или

Су + β = m( ).

После преобразования последнего выражения получим уравнение движения массы в следующем виде

где – круговая частота собственных колебаний системы масса-пружина – демпфер; степень успокоения (затухания) колебаний.

Рис. 2.48. Датчик виброперемещения (виброметр): х – виброперемещение объекта (корпуса датчика) относительно неподвижной системы координат; z – абсолютное виброперемещение массы относительно корпуса датчика

Коэффициент преобразования чувствительного элемента датчика является зависимым от частоты вибраций объекта (рис. 2.49).

Анализ характеристики 1 показывает, что при больших частотах вибрации f >> f₀, существенно (в 1,5 и более раза) превышающих собственную частоту колебаний измерительной системы, вибропреобразователь без погрешности воспроизводит гармонические колебания корпуса: у = х (измеряются колебания корпуса относительно массы, остающейся в покое).

Акселерометр конструктивно подобен виброметру, но его измерительная система настраивается подбором массы и жесткости пружины таким образом, чтобы перемещение массы было пропорционально виброускорению. Это достигается при настройке частоты собственных колебаний измерительной системы существенно больше частоты вибраций объекта, т.е. при условии f₀ >> f. В этом случае сила инерции сейсмической массы слишком мала, чтобы удержать ее в покое. Для расширения диапазона f частота f₀ должна быть по возможности высокой (масса небольшой, а пружина очень жесткой). Зависимость коэффициента преобразования чувствительного элемента акселерометра от частоты колебаний объекта представлена на рис. 2.50.

Рис. 2.49. Зависимость коэффициента преобразования виброперемещений объекта в перемещение массы от частоты вибраций и коэффициента демпфирования: 1 – при b = 0,65; 2 – при b= 0

На рис. 2.49 обозначено: f – частота колебаний корпуса датчика (объекта); f₀= собственная частота колебательной системы датчика.

Датчики виброскорости (велосиметры) конструктивно аналогичны датчикам виброперемещений. Разница состоит лишь в замене измерительного преобразователя перемещения массы на преобразователь скорости ее перемещения. В велосиметрах в качестве измерительного преобразователя применяется магнитоиндукционный преобразователь, постоянный магнит которого жестко связан с корпусом датчика виброскорости, а катушка связана с сейсмической массой. При наличии вибраций в катушке генерируется ЭДС, величина которой будет пропорциональна скорости вибрации.

Велосиметром можно измерить также виброперемещение, если применить интегратор сигнала виброскорости, или виброускорение, используя дифференцирующее устройство и предварительно расширив диапазон рабочих частот в сторону их уменьшения.

Рис. 2.50. Зависимость коэффициента преобразования ЧЭ акселерометра от частоты вибраций объекта

2.8. Датчики токов и напряжений

Такие датчики широко применяются в системах автоматики электроприводов. Для контроля переменных токов и напряжений используются измерительные трансформаторы тока и напряжения. В качестве примера на рис. 2.51 показана схема измерения тока и напряжения в электроприводе переменного тока.

Датчик тока состоит из трансформатора тока ТА, выпрямителя UZ1 и RC-фильтра. Выходной сигнал датчика пропорционален току I фазы электродвигателя M.

Рис. 2.51. Датчики тока и напряжения в электроприводе переменного тока

Датчик напряжения включает в свой состав трансформатор напряжения TV, выпрямитель UZ2 и RC-фильтр. Выходное напряжение датчика пропорционально линейному напряжению U, подаваемому на обмотки статора электродвигателя.

В электроприводах постоянного тока для измерения токов и напряжений применяются аналоговые и цифровые датчики. На рис. 2.52 приведена обобщенная структура аналогового датчика тока/напряжения, выполненная по схеме М – ДМ (модулятор-демодулятор).

Выходной сигнал датчика представляет собой напряжение постоянного тока , пропорциональное измеряемому току I или напряжению U.

Схема М – ПР – ДМ совместно с ГТИ обеспечивает гальваническое разделение силовых цепей и цепей управления в системах электроприводов постоянного тока, что повышает существенно надежность функционирования последних.

Рис. 2.52. Аналоговый датчик постоянного тока/напряжения

В состав датчика входят:

ВЦ – входная цепь (шунт/делитель напряжения), формирующая входной сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорциональный измеряемому току или напряжению I/U;

М – модулятор, преобразующий входной сигнал в переменное напряжение;

ПР – потенциальный разделитель (трансформатор);

ДМ – демодулятор – преобразователь переменного напряжения в постоянное;

УС – усилитель;

ГТИ – генератор тактовых импульсов, синхронизирующий работу М – ДМ.

Цифровые датчики постоянного тока/напряжения (рис. 2.53) имеют в своем составе помимо ВЦ и ПР также входной усилитель ВУ и аналого-цифровой преобразователь АЦП для формирования цифрового сигнала (кода) N на выходе.

В цифровых датчиках потенциальное разделение сигналов осуществляется с помощью оптопар. Достоинством оптронной гальваноразвязки является простота ее реализации по сравнению со схемой М – ДМ, так как отпадает необходимость в модуляции сигнала.

Рис. 2.53. Цифровой датчик постоянного тока/напряжения

В качестве примера реализации аналогового датчика постоянного тока по схеме М – ДМ рассмотрим устройство типового датчика ДТ-ЗАИ (рис. 2.54).

Рис. 2.54. Датчик постоянного тока ДТ-ЗАИ

В состав датчика входят:

RS – измерительный шунт;

VT1, VT2 – транзисторные ключи модулятора;

Т – разделительный трансформатор;

УН – усилитель переменного напряжения;

ФЧВ – фазочувствительный выпрямитель, формирующий унифицированный выходной сигнал.

Датчик тока имеет реверсивную линейную с ограничением статическую характеристику.

Работа датчика тока основана на принципе модуляции – трансформирования – усиления переменного напряжения – демодуляции. Модуляция входного сигнала осуществляется с частотой 30 кГц, формируемой ГТИ.

Рис. 2.55. Статическая характеристика датчика постоянного тока типа ДТ-ЗАИ

Датчик напряжения постоянного тока типа ДН-2АИ выполнен аналогично датчику тока ДТ-3АИ. Однако в нем отсутствует усилитель напряжения УН, так как с делителя напряжения, включаемого в силовую цепь электропривода, снимается достаточно высокий по уровню входной сигнал.

Основные характеристики датчиков ДТ и ДН:

Параметр	ДТ-3АИ	ДН-2АИ
1. Коэффициент передачи	53–133	0,6–1
2. Полоса пропускания, кГц		1,3
3. Потенциал разделяемых цепей, кВ

Датчики напряжения и тока на эффекте Холла

Датчик напряжения на эффекте Холла (ДНХ) предназначен для измерения напряжений постоянного тока, переменного тока промышленной частоты с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля.

Датчик ДНХ (рис. 2.56) состоит из замкнутого магнитопровода с зазором и обмотками и , датчика Холла и электронного усилителя. К измеряемому напряжению U датчик подключается через входной резистор , выполняющий функции токозадающего сопротивления, позволяющего установить номинальный ток через обмотку при номинальном значении измеряемого напряжения.

Рис. 2.56. Датчик напряжения на эффекте Холла: – входной резистор для настройки входного тока ; МЗ – магнитопровод с зазором; – входная и компенсационная обмотки; ДХ – датчик Холла; ЭБ – электронный блок (усилитель); – напряжение, соответственно, измеряемое на выходе датчика Холла, на выходе датчика напряжения, источника питания

Магниточувствительный датчик Холла закреплен в зазоре магнитопровода, а его выходное напряжение подается на вход электронного блока.

При протекании по входной обмотке тока , пропорционального измеряемому напряжению, в магнитопроводе возникает магнитное поле. Датчик Холла, реагирующий на возникающее магнитное поле, вырабатывает напряжение Холла , пропорциональное току во входной цепи. Выходной сигнал с датчика Холла усиливается электронным усилителем и подается в виде сигнала отрицательной обратной связи по току в компенсационную обмотку . Возникающее при этом магнитное поле компенсационной обмотки компенсирует магнитное поле входной обмотки, т.е. измерение напряжения осуществляется по компенсационной схеме, что обеспечивает высокую точность работы датчика: в диапазоне измерения напряжения 60-600 В погрешность измерения не превышает 1 %. Токовый выход ДНХ нагружается таким сопротивлением (сопротивлением нагрузки), чтобы получить напряжение, удобное для дальнейшего использования: при номинальном выходном токе 40 мА и сопротивлении = 150 Ом на выходе датчика напряжение будет равно 6 В.

Номинальный входной ток ДНХ = 10 мА. Величина сопротивления входного резистора (кОм) определяется из выражения:

Датчик тока на эффекте Холла (ДТХ) предназначен для измерения постоянного или переменного токов с гальванической развязкой силовой цепи от цепей контроля. Устройство и принцип действия ДТХ практически такие же, как у датчика ДНХ, за исключением входной цепи: в датчике тока функции входной цепи выполняет силовая шина, по которой протекает измеряемый ток. Шина охватывается замкнутым магнитопроводом с зазором, в котором размещается датчик Холла. Измерение тока осуществляется также по компенсационной схеме, как и в датчике напряжения.

Диапазон измеряемых токов датчиков типов ДТХ – 50/100/150/200 равен соответственно 0–50, 0–100, 0– 50, 0–200 А. Основная приведенная погрешность измерения не превышает 1 %. Выходное напряжение всех датчиков типа ДТХ при номинальных значениях измеряемых токов одинаково и составляет 6 В. Настройку датчика измерения тока по необходимому выходному напряжению можно осуществить подбором нагрузочного сопротивления.

3. УСИЛИТЕЛЬНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

3.1. Общие положения

Усилительно-преобразовательные элементы (УПЭ) предназначены для усиления по уровню/мощности выходных сигналов датчиков, управляющих и исполнительных элементов, а также для различных преобразований сигналов, в частности, ограничения их по уровню, нормирования, суммирования, фильтрации, аналого-дискретного преобразования и др.

Важнейшими элементами в группе УПЭ являются усилители. В системах автоматики применяются разнообразные усилители сигналов, классифицируемые следующим образом:

1. По виду выходного сигнала:

· Аналоговые с линейной статической характеристикой;

· Дискретные с релейной характеристикой.

2. По роду используемой энергии:

· Электрические (электронные, магнитные, электромагнитные);

· Пневматические;

· Гидравлические.

3. По уровню выходной мощности:

· Малые (единицы Вт);

· Средние (десятки Вт);

· Мощные (десятки кВт).

Статические свойства усилителей характеризует коэффициент усиления:

а) по уровню , где и – приращения входного и выходного сигналов усилителя;

б) по мощности , где и – приращения мощностей входного и выходного сигналов.

Динамические свойства усилителей описываются переходными/передаточными функциями. Мерой их инерционности является постоянная времени.

Как правило, к усилителям предъявляются требования малой инерционности и больших значений коэффициента усиления.

3.2. Магнитные усилители

Магнитные усилители (МУ) нашли широкое применение в системах автоматики электроприводов благодаря таким достоинствам, как высокий коэффициент усиления по мощности (10³– 10⁵), потенциальное разделение входных и выходных сигналов, большой срок службы, простота устройства и высокая надежность работы. МУ используются в качестве усилителей сигналов датчиков, усилителей мощности в выходных каскадах систем управления, сумматоров сигналов с потенциальным их разделением, бесконтактных реле, логических элементов. Ниже рассматриваются различные схемные варианты исполнения магнитных усилителей.

3.2.1. Однотактные магнитные усилители

Простейший МУ представляет собой два дросселя с подмагничиванием и замкнутыми ферромагнитными сердечниками, рабочие обмотки которых соединены последовательно и встречно, а обмотки подмагничивания расположены так, что охватывают оба сердечника этих дросселей (рис. 3.1, а).

Нагрузка включается последовательно с рабочими обмотками в цепь источника переменного тока. Входным сигналом МУ является сигнал от источника постоянного тока, подаваемый на обмотку управления, а выходным сигналом – ток нагрузки. Потоки и , создаваемые током в обмотках и действуют встречно на обмотку , благодаря чему компенсируется влияние переменного магнитного поля на обмотку управления.

Рис. 3.1. Схема (а) и статическая характеристика (б) простейшего однотактного магнитного усилителя: и – рабочие обмотки дросселя; – сопротивление нагрузки, – обмотка подмагничивания (управления); – ток и напряжение входного сигнала (сигнала управления); – ток нагрузки

Принцип действия МУ основан на использовании зависимости индуктивности рабочих обмоток от подмагничивания ферромагнитных сердечников постоянным током: при подмагничивании магнитная проницаемость сердечников и индуктивность рабочих обмоток уменьшается, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления обмоток и, следовательно, к увеличению тока в нагрузке согласно выражению:

Зависимости тока нагрузки от тока управления для однотактного (нереверсивного) МУ представлена на рис. 3.1, б. Нелинейность статической характеристики объясняется нелинейным характером намагничивания сердечников, вследствие чего индуктивные сопротивления дросселей представляются нелинейными зависимостями от тока подмагничивания (от уровня насыщения сердечников). При токе в нагрузке протекает ток холостого хода , величина которого определяется максимальным значением индуктивности рабочих обмоток и напряжением питания, так как . При некотором значении тока , происходит насыщение обоих сердечников МУ и, благодаря этому, ограничение тока нагрузки на уровне . Изменение знака тока не влияет на ток . Уравнение МДС для линейных участков характеристики МУ имеет вид:

отсюда , а коэффициент усиления по току .

В динамике МУ может быть представлен апериодическим звеном с передаточной функцией:

где – коэффициент преобразования усилителя по каналу «напряжение сигнала управления – ток нагрузки»; – постоянная времени усилителя (инерционность усилителя обусловлена наличием индуктивности в обмотке управления); –частота напряжения питания усилителя.

Для снижения величины применяют источники питания МУ с повышенной частотой – 400, 1000 Гц.

К недостаткам рассмотренной схемы простейшего однотактного МУ следует отнести небольшой коэффициент усиления в зоне малых значений сигнала управления, сравнительно высокую инерционность и отсутствие реакции на изменение полярности выходного сигнала. Для исключения указанных недостатков усложняют схему МУ введением смещения и обратных связей с помощью дополнительных обмоток подмагничивания. Схема однотактного МУ с внешней положительной обратной связью и смещением представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Принципиальная электрическая схема однотактного магнитного усилителя с положительной обратной связью и смещением: – обмотки обратной связи и смещения; – потенциометры для управления сигналами обратной связи и смещения; – выпрямитель в цепи обратной связи

Положительная обратная связь (ПОС) по току нагрузки, состоящая из выпрямителя, потенциометра и обмотки подмагничивания , позволяет увеличить коэффициент усиления. Ток обратной связи

где – коэффициент обратной связи. Уравнение МДС при наличии ПОС имеет вид:

Отсюда с учетом значения тока обратной связи, ток нагрузки будет равен

При выборе последнее выражение может быть представлено в виде:

где – коэффициент усиления МУ с ПОС.

Анализ показывает, что введение ПОС в магнитный усилитель позволяет увеличить его коэффициент усиления изменением коэффициента обратной связи: в идеальном случае при выборе получим .

Для смещения статической характеристики МУ вдоль оси абсцисс используют специальную обмотку подмагничивания, получившую название обмотки смещения . Эта обмотка получает питание от источника постоянного тока . Потенциометр позволяет изменять знак и величину тока в обмотке смещения и тем самым создаваемую ею МДС . При положительной МДС этой обмотки (относительно МДС обмотки ) характеристика усилителя смещается влево, при отрицательной – вправо, вдоль оси абсцисс (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Статические характеристики однотактного магнитного усилителя с ПОС и смещением

На крутых участках статических характеристик, показанных на рис. 3.3, действует положительная обратная связь, а на пологих – отрицательная обратная связь по току нагрузки, вследствие изменения знака .

Магнитные усилители с самоподмагничиванием (с внутренней обратной связью по току нагрузки) не требуют специальной обмотки : эффект, аналогичный введению внешней ПОС, достигается включением диодов VD1,VD2 последовательно с рабочими обмотками (рис. 3.4). Теперь по ним протекает однополупериодный выпрямленный ток, постоянная составляющая которого создает МДС, пропорционально току нагрузки.

Рис. 3.4. Принципиальная электрическая схема однотактного МУ с самоподмагничиванием и с выходом на постоянном токе в нагрузке

Использование в МУ с самоподмагничиванием внешней ПОС и смещения позволяет осуществить релейный режим работы усилителя и использовать его в качестве бесконтактного реле, либо преобразователя непрерывного сигнала в дискретный. Возможные релейные характеристики МУ представлены на рис. 3.5.