Управление всевозможными процессами требует наличия информации о состоянии тех или иных параметров механизмов. Причем неэлектрических величин значительно больше, чем электрических. К таким неэлектрическим величинам относятся: механические величины – силы, перемещения, скорости движения, ускорения, давления и др. Тепловые величины – характеризующие режимы работы и состояние различных установок. Величины, характеризующие химический состав веществ, наличие примесей.
Следствием большого количества неэлектрических параметров является наличие большого количества разных по принципу действия и устройству средств. Некоторые из таких средств состоят из небольшого количества измерительных преобразователей и могут быть отнесены к категории измерительных приборов. Однако общим во всех этих системах является наличие в их комплексе измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические. Такой преобразователь является первым звеном и называется первичным преобразователем.
Основные особенности электрических измерений, повлекшие массовость применения:
1. Дистанционность измерений.
2. Простота изменения чувствительности средств измерения.
3. Применение для регистрации быстро изменяющихся параметров электрические приборы.
4. Возможность введения информации о неэлектрических параметрах в устройства управления и защиты контролируемых объектов, а так же в электронные устройства.
Первичные измерительные преобразователи и приборы, выполненные с их применением, классифицируются по роду выходного сигнала первичного преобразователя на параметрические и генераторные преобразователи.
К первым отнесены преобразователи, преобразующие сигнал в величину активного, индуктивного или емкостного сопротивления.
Ко вторым отнесены преобразователи, преобразующие сигнал в электродвижущую силу, независимо от способа ее возникновения в первичном преобразователе.
Р е з и с т и в н ы е (р е о с т а т н ы е) п р е о б р а з о в а т е л и. – это преобразователи, преобразующие измеряемую величину в активное сопротивление R =f(Xне). Наибольшее применение получили следующие виды преобразователей:
1. Реостатные,
2. Терморезисторные
3. Тензорезисторные
4. Магниторезисторные
5. Фоторезисторные
Реостатным преобразователем называется реостат такой конструкции, подвижный контакт которого, перемещаясь по токоведущей части преобразователя, занимает то или иное положение в зависимости от значения Хнэ
|
намотанного на изогнутый каркас. Каркас 1 обмотки реостата выполняя-ется из изоляционного мате-риала или из неферромаг-нитного металла (алюминия), покрытого изоляционным лаком. На каркас намотана проволока из манганина, константана, сплава платины или иридия толщиной 0,02-1мм. Для электрического соединения подвижного контакта 2 одна из сторон обмотки освобождается от изоляционного покрытия и полируется. От схемы реостата и способа включения его в цепь зависит вид функции преобразования R =f(φ), а следовательно, и особенности данного измерительного преобразователя.
Рассмотрим некоторые схемы (рис. 6.10) Здесь КО – объект, положение которого контролируется, механически связан с подвижным контактом реостатного преобразователя, Uо - напряжение питания схемы, Rp – полное сопротивление реостата, Rпр – сопротивление электроизмерительного прибора, Rд – добавочное сопротивление. Углы φм – номинальный угол поворота (или номинальное линейное перемещение) подвижного контакта преобразователя, φ1, φ2 – углы поворота (или линейные перемещения) подвижного контакта. Схема на рис.6.10,а соответствует реостатному преобразователю, включенному как делитель напряжения.
Рисунок 6.10. Схемы включения реостатных преобразователей:
а) на основе делителя напряжений; б) тоже, но с указанием направления перемещения;
в) на основе неуравновешенного моста; г) с применением логометра
Положение контролируемого объекта – неэлектрическая величина, характеризуется углом поворота подвижного контакта на угол φ, а следовательно, сопротивлением преобразователя Rφ, заключенным между точкой 1 и подвижным контактом 2. Напряжение между этими точками Uφ, если считать, что Rд + Rпр = Rр и плотность намотки витков обмотки реостата постоянна,
.
В цепи прибора возникает ток I = U0/Rпр + Rд, вызывающий отклонение указателя на угол α= SI, где S – чувствительность прибора, т.е.
Это уравнение есть функция преобразования положения контролируемого объекта представленного углом j в показания электроизмерительного прибора - угол a.
Рассмотрим подробнее это преобразование в качестве примера электрического измерения неэлектрической величины. Объект, положение которого контролируется, — штурвал, клапан, клинкет и т. п., с помощью механической передачи поворачивает подвижный контакт на угол j, соответствующий положению П объекта. При этом на участке 1-2 потенциометра (рис. 6.10,а), сопротивлении Rj, возникает напряжение Uj, пропорциональное углу j. Это напряжение вызывает ток I в цепи прибора, ток — вращающий момент М, вызывающий отклонение указателя на угол a. Преобразование положения контролируемого объекта в угол a содержит несколько этапов преобразований, выполняемых согласно определенной закономерности: П - j - Rj - Uj - I – M - a. Преобразование, содержащее несколько этапов, характерно для неэлектрических величин.
На рис. 6.10,б приведена схема реостатного преобразователя, включенного, как и на схеме рис. 6.10, а, в качестве делителя напряжения, однако здесь реостат имеет дополнительный вывод 3, расположенный посредине токоведущей части. Это позволяет преобразовывать перемещения контролируемого объекта КО в показания прибора a с указанием не только величины, но и направления перемещения по отношению к его среднему положению. При перемещении контролируемого объекта, вызывающем отклонение подвижного контакта реостата в положение 2, ток прибора I направлен на схеме рис. 6.10, б сверху вниз. При перемещении подвижного контакта в положение 2 ток I изменяет свое направление. Если в качестве указателя перемещения применить магнитоэлектрический прибор с нулем посредине шкалы, то отклонение его стрелки будет характеризовать и направление перемещения объекта. Функция преобразования данной схемы будет подобна уравнению
Согласно схеме рис. 6.10,в реостатный преобразователь включен в схему неуравновешенного моста постоянного тока. Его токоведущая часть представляет собой плечи моста R1 и R2. Считая обмотку преобразователя намотанной равномерно, R1=rj1; R2= rj2, где r - сопротивление, соответствующее единице угла токоведущей части преобразователя. Прибор, учитывающий положение контролируемого объекта, включен в измерительную диагональ моста, следовательно, точность измерения зависят, помимо прочих факторов, и от напряжения питания Uo.
Точность измерителей перемещений, приведенных на рис. 6.10, а, б, в, повышается применением стабилизированных электронных источников питания или включением реостатного преобразователя по схеме логометра рис.6.10, г.
Функция преобразования для схемы рис.6.10, г. равна
α = ƒ(φ2 : φ1)
Реостатные преобразователи получили сравнительно широкое применение для измерения перемещений объектов, способных развивать усилия на подвижном контакте не менее 10-2 Н.
Т е р м о р е з и с т и в н ы м и п р е о б р а з о в а т е л я м и, или терморезисторами, называют металлические или полупроводниковые резисторы, сопротивления которых существенно зависят от температуры. Терморезистивные измерительные преобразователи обоих видов состоят из металлического или полупроводникового терморезистора, помещенного в герметичный, обычно металлический, корпус цилиндрической формы. Корпус обеспечивает электрическую изоляцию терморезистора от контролируемой среды, защиту от внешних коррозирующих воздействий и герметичный вывод проводов для включения его в измерительную цепь термометра сопротивления. Очевидно, что точность измерения любого термометра тем больше, чем ближе температура первичного элемента измерительного преобразователя, в данном случае терморезистора (или ртути у ртутного термометра), к температуре контролируемой среды. Ввиду этого корпус измерительного преобразователя выполняется тонкостенным из достаточно прочного металла, обладающего возможно большей теплопроводностью, — меди, латуни. Металлические терморезисторы выполняются в виде обмотки, большей частью из медного или платинового провода.
Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от температуры практически линейна в пределах температуры от нуля до +90°С при значении αo = 3,94∙1Оˉ³1/°С. Отклонение функции Rt = f (t) от линейной зависимости при температуре +150°С для типовых платиновых термометров cоответствует (по температуре) 1,5-2°С. Температурный диапазон применения медных термопреобразователей составляет - 50, +180°С, платиновых - -200, +660°С.
Полупроводниковые терморезисторы изготавливаются из смеси окислов металлов путем обжига при высокой температуре. Их температурный коэффициент, а следовательно, и чувствительность к температуре, резко уменьшаются с повышением температуры. Это, в частности, ограничивает применение рассматриваемых терморезисторов диапазоном температур от -100 до +120°С. Ввиду высокого удельного сопротивления полупроводниковые резисторы имеют малые габариты, измеряемые единицами кубических миллиметров. Указанное свойство позволяет изготавливать терморезисторы цилиндрической формы длиной около 10 мм, диаметром 3-4 мм и в виде стеклянной бусинки диаметром около 1,5мм, с объемом полупроводникового материала менее 1 мм. Такие первичные преобразователи малоинерционны и ввиду малого размера применяются для измерения температуры контролируемого объекта в заданной точке его поверхности.
На рис. 6.11,а представлен преобразователь, у которого перемещение объекта П вызывает поворот теплового элемента 1, нагреваемого не изменяющимся током Iн, на некоторый угол φ; 2 - здесь терморезистор Rt.
Рисунок 6.11. Принцип устройства резистивных преобразователей перемещений:
а) преобразователь угла поворота; б) преобразователь поступательного перемещения
При повороте теплового элемента изменяется расстояние между элементом и терморезистором. Это вызывает изменение его температуры, сопротивления Rt, а значит, и угла отклонения прибора, измеряющего это сопротивление. Таким прибором может быть, например омметр или неуравновешенный мост.
На рис. 6.11,б представлен другой преобразователь, выполняющий подобные же функции. Однотипные терморезисторы Rt1 и Rt2 нагреваются измерительным током I неуравновешенного моста. Тепловой экран 1 с помощью тяги 2 перемещается поступательно при перемещении контролируемого объекта и занимает то или иное положение по отношению к терморезисторам. При таком положении теплового экрана, когда он в равной мере охватывает оба терморезистора (соответствующие изображенному на рис.6.11,б, нагрев, а значит и сопротивления терморезисторов, одинаковы. При условии Rt1=Rt2 и RЗ=R4 мост будет уравновешен. В случае же перемещения экрана в ту или иную сторону под влиянием контролируемого объекта терморезисторы будут нагреваться измерительным током неодинаково и сопротивление Rt1 станет не равно Rt2. Это нарушит равновесие моста и вызовет отклонение указателя прибора, включенного в измерительную диагональ, на некоторый угол а. Так, приборы на рис. 6.11 осуществляют электрическое измерение перемещений с помощью терморезисторов. Преимуществом этого способа измерения перемещений является отсутствие трущегося контакта в измерительной цепи. Недостатком, как правило, - нелинейная зависимость а= f (П) между углом отклонения указателя и перемещением контролируемого объекта, а также более сложная конструкция преобразователя по сравнению, например, с реостатным преобразователем.
Т е н з о р е з и с т о р н ы е п р е о б р а з о в а т е л ислужат для измерения давлений и деформаций. Тензорезисторы основаны на тензорезистивном эффекте, который состоит в том, что сопротивление полупроводника зависит от давления на полупроводник. Материалом для тензорезисторов чаще всего служит кремний, но могут быть использованы и другие полупроводники. К основным параметрам тензорезисторов относятся номинальное сопротивление (от десятков Ом до десятков кОм). т.е. сопротивление при отсутствии давления, и коэффициент тензочувствительности, равный отношению относительного изменения сопротивления 
R/R к относительному изменению длины тензорезистора l/l. Этот коэффициент зависит от вещества полупроводника, типа электропроводимости, удельного сопротивления и направления деформации.
Подробная информация о тензорезисторных преобразователях дана в Главе 4 «Основы тензоэлектроники» данного издания.
М а г н и т о р е з и с т о р н ы е п р е о б р а з о в а т е л и состоят из одного или нескольких магниторезисторных элементов, размещающихся в воздушном зазоре магнитной цепи. Действие магниторезистора основано на магниторезисторном эффекте - увеличении сопротивления полупроводникового магниторезистивного элемента при внесении его в магнитное поле. Перемещая магниторезистор в магнитном поле зазора или регулируя напряженность магнитного поля, можно управлять сопротивлением магниторезистора. Таким образом, датчик на базе магниторезистора содержит две электрические изолированные цепи: управляемую электрическую цепь магниторезистора и управляющую магнитную цепь.
Подробная информация о магниторезисторных преобразователях дана в Главе 3 «Основы магнитоэлектроники» данного издания.
Т е р м о э л е к т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и (т е р м о п а р ы).Их действие основано на изменении Э.Д.С термопары, горячий спай которой помещается в исследуемую среду (см. рис. 6.6,е).
Для измерения напряжения применяются либо магнитоэлектрические милливольтметры, либо автоматические потенциометры. Шкалы этих приборов градуируются непосредственно, например, в градусах Цельсия. Показания приборов будут справедливы лишь в тех случаях, если подключенная к прибору термопара изготовлена из тех же материалов, что и используемая при градуировке. Поэтому на шкале прибора всегда указывается материал термопары, совместно с которой он градуировался.
Наиболее простая и малоинерционная термопара, часто применяемая при измерении температур до 200º С и изготовляется из эмалированного медного и константанового проводов.
Ф о т о р е з и с т о р н ы е п р е о б р а з о в а т е л и.Принцип действия фоторезистора основан на эффекте фотопроводимости т.е. изменении сопротивления полупроводника при его освещении. Подробная информация о фоторезисторных преобразователях дана в Главе 2 «Основы оптоэлектроники» данного издания.
И н д у к ц и о н н ы е и в з а и м о и н д у к ц и о н н ы е п р е о б р а з о –
в а т е л и. Индукционными называются первичные измерительные преобразователи, у которых под влиянием преобразуемой неэлектрической величины Хнэ изменяется индуктивность L. Взаимоиндуктивные – такие, у которых под влиянием Хнэ изменяется коэффициент взаимоиндукции М. так как явление взаимоиндукции возникает между двумя индуктивно связанными контурами, то такие преобразователи называются также трансформаторными.
Рисунок 6.12. Устройство и схемы индуктивных преобразователей.
Функция преобразования индуктивных преобразователей L = f (Хнэ), взаимоиндуктивных M = f (Хнэ) или E = f (Хнэ), где Е – ЭДС, возникающая во вторичной обмотке трансформаторного преобразователя.
Изменение индуктивности вызывает изменение полного сопротивления, а следовательно, и тока индуктивного преобразователя. Выходной сигнал взаимоиндуктивного преобразователя – ЭДС Е2.
Рассматриваемые преобразователи применяются для преобразования перемещений объектов, механических сил и вращающих моментов в электрические величины.
На рис. 6.12 приведены устройство и схемы включения индуктивных преобразователей наиболее распространенных конструкций – с изменяющимся воздушным зазором. Магнитные цепи преобразователей выполняются из листовой стали или магнитомягких ферритов. Обмотки пронизываются магнитными потоками в стали преобразователей. Подвижные магнитопроводы 3 и 5 (якоря), закрепленные эластично, механически соединенные с контролируемым объектом, перемещаются поступательно при перемещении объектов. Это вызывает изменение воздушных зазоров, а следовательно потоков Ф и индуктивности связанных с ними катушек преобразователей.
На рис 6.12,б приведен дифференциальный индуктивный преобразователь. Он имеет две катушки 2 и 3, индуктивности которых изменяются под влиянием перемещения якоря неодинаково. Если якорь 5 равноудален от магнитопровода 1 и 4, зазоры δ2 = δ3, то индуктивности L2 и L3 равны при условии одинаковых параметров электромагнитов. Нарушение равновесия моста наступает в случае неравенства перемещения подвижной части в какую либо сторону. Нарушается воздушный зазор, изменяется индуктивность. Следовательно, ток в измерительной диагонали изменяется прямо пропорционально перемещению контролируемого объекта в пределах Δδ.
Дифференциальный преобразователь перемещений имеет более равномерную шкалу и благодаря измерительной схеме моста более чувствителен, чем преобразователь на рис 6.12,а.
Для измерения быстровращающихся механизмов применяют малогабаритные трехфазные индукционные тахометры типа ТЭ. Они имеют синхронный трехфазный генератор, механически связанный с валом измеряемого механизма и синхронный двигатель, связанный с генератором трехпроводной линией. Частота выходного напряжения генератора пропорциональна измеряемой угловой скорости, поэтому частота вращения ротора синхронного двигателя также пропорциональна частоте вращения вала. При вращении постоянного магнита, закрепленного на валу двигателя, в алюминиевом диске индуцируются вихревые токи, пропорциональные частоте вращения двигателя. Взаимодействие этих токов с магнитом вызывает появление вращающего момента, стремящегося повернуть диск вслед за магнитом.
Вращающий момент уравновешивается противодействием пружины так, что отклонение подвижной части пропорционально частоте вращения. При изменении направлении вращения чередование фаз генератора, направление вращения двигателя и отклонение стрелки измерительного механизма также изменяются.
П о л у п р о в о д н и к о в ы е р е л е у р о в н я ПРУ-5М предназначены для контроля уровня жидкостей в аппаратах стационарных и судовых установок (вода, аммиак, хладон) при давлениях до 20 МПа. Реле уровня состоит из первичного (ПП) и вторичного передающего (ПРП) преобразователей (рис. 6.13).
ПП и ПРП должны устанавливаться вне взрывоопасных помещений и соответствовать требованиям Морского Регистра РФ, предъявляемым к устройствам управления судном, сигнализации, измерения и контроля неэлектрических величин для судов неограниченного района плавания.
В ПП перемещение металлизированного поплавка в поплавковой камере преобразуется в сигнал переменного тока с помощью индуктивных катушек L1 и L2, включенных в схему выносного полумоста.
Рисунок 6 13. Схема установки реле уровня ПРУ-5М на емкости.
Сигнал с ПП через разъем Ш1 поступает на дифференциальный полупроводниковый усилитель ПРП. В выходную цепь усилителя включено поляризованное электромагнитное реле, контакты которого и управляют исполнительным механизмом или каналом АПС.
Е м к о с т н ы м п р е о б р а з о в а т е л е м называется первичные преобразователи, преобразующие неэлектрическую величину Хнэ в электрическую емкость конденсатора.
Как известно, электрическая емкость C между двумя токоведущими плоскостями с активной поверхностью S, расположенными параллельно на расстоянии δ, равна
,
где ε – диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между плоскостями – электродами конденсатора. При не изменяющихся εS емкостное сопротивление С линейно связано с расстоянием δ. Устройство и принцип действия емкостных преобразователей, а также их применение поясняются с помощью рисунка 6.14.
Большинство емкостных преобразователей может быть выполнено в двух вариантах: одинарном, т.е. состоящем из одного конденсатора и двойном, называемом дифференциальным. На рис. 6.14,а представлен одинарный преобразователь с изменяющимся расстоянием δ, предназначенный для измерения перемещений контролируемого объекта (КО), механически связанного с эластично закрепленной пластиной 2 конденсатора. Изменение δ вызывает изменение его электрической емкости.
На рис. 6.14,б показан емкостной преобразователь также с переменным δ, но предназначенный для измерения толщины изоляционного слоя покрытия металлического изделия, например окраски корпуса судна. Металл в данном случае – второй электрод конденсатора.
На рис. 6.14,в представлен дифференциальный преобразователь для измерения перемещений КО, механически соединенный с пластиной 2. Перемещение КО вызывает изменение расстояния между пластинами 1,3. В результате емкость конденсатора, образованного пластинами 1-2 и 2-3 изменяется противоположно. Такая конструкция при включении его в схему измерительного моста увеличивает чувствительность дифференциального преобразователя по сравнению с одинарным.
Рисунок 6.14. Емкостные преобразователи:
а) с изменяющимся расстоянием; б) для измерения толщины изоляционного слоя;
в) для измерения перемещений; г) д) с перемещающимися пластинами;
ж) е) с переменной диэлектрической постоянной ε.
На рис.6.14 г, д изображен преобразователь с переменной активной поверхностью S. При перемещении КО изменяется площадь перекрытия пластин, изменяется емкость между соответствующими парами пластин.
На рис.6.14,ж приведено устройство емкостных преобразователей с переменной диэлектрической постоянной ε. В электрическом поле конденсатора 3-6 находится движущаяся лента 4, например, из бумаги или текстиля, перематываемая с барабана на барабан. Если ε материала ленты постоянна и ширина ленты неизменна, то такой преобразователь может быть применен для контроля толщины ленты Δ. Преобразователь на рис.6.14,е можно рассматривать состоящим из двух параллельно включенных конденсаторов, образованных пластинами 1 и 2. Верхняя часть этих пластин находится в воздухе с диэлектрической постоянной воздуха и образует конденсатор С1, а нижняя часть – в жидкости или в сыпучем грунте с диэлектрической постоянной этой среды и образует конденсатор С2. Общая емкость такого конденсатора С = С1 + С2, зависит от заполнения бака исследуемой средой. Такой преобразователь может применяться для контроля за уровнями и заполнениями объемов.
Для определения аналога измеряемой неэлектрической величины – выхоной емкости рассмотренные преобразователи обычно включают в схему неуравновешенного моста переменного тока. На рис. 6.15 приведено включение дифференциального емкостного преобразователя измерителя перемещений КО в схему моста переменного тока. Ввиду малой выходной мощности в схему моста включают усилитель напряжения. Конденсаторы переменной емкости С3 и С4, а также сопротивление R служат для уравновешивания моста при нулевых значениях перемещений КО.
При перемещении КО, а следовательно, и средней пластины преобразователя, изменение емкости С1 и С2 при неизменных С3 и С4 вызовет разбаланс моста и отклонение указателя прибора V.
|
Рассмотренные преобразователи обладают высокой стабильностью функции преобразования и чувствительности. Их недостатком является зависимость точности и чувствительности от добавочных емкостей, называемых паразитными, возникающими между соединительными проводами и элементами измерительных схем. Для устранения их вредного влияния применяют экранировку соединительных проводов и измерительной схемы.
С и г н а л и з а т о р у р о в н я СУС-160М предназначен для контроля уровня жидких сред и уровня раздела жидкостей, например, нефтепродукты – вода, с резко отличающимися относительными диэлектрическими проницаемостями.
Сигнализатор состоит из первичного (ПП) и вторичного (ВРП) преобразователей. ПП выполняются водопыленепроницаемыми с искробезопасными элементами взрывозащиты. Потребляемая мощность не превышает 15 В.А при электрической нагрузке на контакты реле не более 500 ВА. Удаление ВРП ограничено сопротивлением линии связи в пределах 10 Ом.
ВРП представляет собой полупроводниковый усилитель с емкостным входом и электромагнитным реле на выходе.
ПП состоит из двух концентрично расположенных трубок, закрепленных на фланце прибора. ПП – это по сути конденсатор, подключенный к ВРП. При перемещении уровня жидкости или границы раздела сред изменяется емкость ПП и ВРП соответственно реагирует на это. Погрешность срабатывания ±10 мм по уровню и не более ±15 мм для границы раздела.
Э л е к т р о х и м и ч е с к и м и п р е о б р а з о в а т е л я м и называются измерительные преобразователи, в которых преобразование измеряемой величины осуществляется с помощью химических реакций, а также преобразователи, с помощью которых свойства химических веществ (например, концентрация растворов) определяется электрическим путем. В качестве примера рассмотрен принцип действия электрического соленомера.
При длительной эксплуатации паросиловых установок на внутренних стенках котлов, труб и паропроводов оседают плохо растворимые осадки, затрудняющие теплоотдачу, уменьшающие полезное сечение труб и паропроводов и, в конечном итоге, снижающие к. п. д. всей установки. Основной составляющей этих осадков являются различные соли. Поэтому для обеспечения длительной безотказной работы паросиловых установок необходимо, чтобы концентрация солей в воде не превышала нормы. Для определения концентрации применяются соленомеры, действие которых основано на зависимости электросопротивления воды от концентрации растворенных в ней примесей.
|
Электрическая схема соленомера (рис.6.16) образуется мостом, в одно из плеч которого включены электроды. Последние погружены в сосуд, заполненный испытуемой водой, которую будем называть электролитом. Во избежание электрохимических явлений в электролите и на поверхности электродов питание моста осуществляется переменным током. При некоторой концентрации солей в электролите мост уравновешен и ток через прибор, включенный в измерительную диагональ моста (рис.6.16), отсутствует. При возрастании концентрации солей электропроводность электролита увеличивается, что вызывает разбаланс моста и протекание тока через указывающий прибор.
Электропроводность электролита возрастает по мере роста температуры. Для уменьшения связанной с этим температурной погрешности применяется резистор R6, включенный в то же плечо моста, что и электроды. Он выполняется из медного провода и также помещается в электролит. Благодаря этому температура резистора равна температуре электролита.
При изменении (например, возрастании) температуры сопротивление R6 увеличивается, а сопротивление электролита уменьшается, так что суммарное сопротивление плеча моста изменяется мало. Однако температурная зависимость сопротивления электролита имеет экспоненциальный характер, а сопротивление R6 зависит от температуры линейно. Поэтому удовлетворительная компенсация возможна лишь в относительно узком диапазоне температур. Для расширения этого диапазона обычно включается манганиновый резистор R5.
Т а х о г е н е р а т о р ы — это специальные электрические микромашины, преобразующие частоту вращения в электрическую величину и предназначенные для измерения угловой скорости. По виду выходного напряжения они подразделяются на тахогенераторы постоянного и переменного тока, а по способу возбуждения - на магнитоэлектрические и электромагнитные. К тахогенераторам предъявляются следующие основные требования: прямолинейность выходных характеристик; малый момент инерции; малый нагрузочный (статический) момент.
Тахогенераторы постоянного тока по конструкции и принципу действия являются коллекторными машинами, работающими в генераторном режиме.
На рис. 6.17,а приведена схема магнитоэлектрического тахогенератора. Постоянные магниты, обеспечивающие возбуждение, выполняются из никель-алюминиевых сплавов, обладающих большой коэрцитивной силой и постоянством остаточной индукции в широком диапазоне изменения температуры. Так как у магнитоэлектрических тахогенераторов ЭДС пропорциональна частоте вращения, то статическая характеристика Еех = f (nin) при R = ∞ (рис.8.36,а) является прямолинейной. Нагрузочная характеристика Uех = f (nin) при R < ∞ лежит ниже статической характеристики. Ее крутизна уменьшается, а кривизна увеличивается при повышении нагрузки, что объясняется размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения в якорной цепи. Поэтому тахогенераторы эксплуатируются с соблюдением условия R > Rmax, где R – сопротивление нагрузки; Rmax – допустимое сопротивление нагрузки, при котором нелинейность характеристик составляет 0,5 - 1% в зависимости от класса точности тахогенератора.
Рисунок 6.17. Тахогенераторы:
а) постоянного тока магнитоэлектрический и его характеристика; б) асинхронный; в) его условное обозначение.
Постепенная потеря намагничивания постоянного магнита заставляет применять в магнитоэлектрических тахогенераторах устройства корректировки в виде установочных резисторов в выходной электрической цепи или в виде магнитного шунта, охватывающего полюсные наконечники. Вращая регулировочный винт, изменяют положение магнитного шунта и добиваются восстановления индукции в воздушном зазоре.
Электромагнитные тахогенераторы постоянного тока независимого возбуждения для ослабления влияний колебания напряжения возбуждения и температуры обмотки возбуждения могут выполняться с глубоким насыщением магнитной системы или ненасыщенными, но с термочувствительными магнитными шунтами. Магнитное сопротивление таких шунтов повышается с ростом температуры, что приводит к уменьшению потока рассеяния через шунты и восстановлению рабочего магнитного потока, несмотря на возросшее электрическое сопротивление обмотки возбуждения под действием температурных влияний. Входными величинами ненасыщенного тахогенератора являются частота вращения и напряжение возбуждения.
К преимуществам тахогенераторов постоянного тока относится высокая линейность и стабильность выходных характеристик, малая погрешность измерения. Основными недостатками являются пониженная надежность из-за скользящего контакта, наличие пульсаций выходного напряжения и помех радиоприему, сложность конструкции, повышенный момент инерции и создаваемый нагрузочный момент.
Тахогенераторы переменного тока разделяются на асинхронные и синхронные.
Асинхронный тахогенератор. На рис.6.17, б приведена схема, а на рис. 6.17,в условное изображение асинхронного тахогенератора. В пазах статора располагаются обмотка возбуждения ωв и рабочая обмотка ωр, сдвинутые относительно друг друга на 90°. Ротор представляет собой тонкостенный алюминиевый стакан, вращающийся в зазоре между статором и неподвижным цилиндрическим сердечником. К обмотке возбуждения подводится постоянное по амплитуде и частоте напряжение Uв. Пульсирующая МДС возбуждения Fв создает переменный магнитный поток, пересекающий ротор по продольной оси и индуцирующий в ЭДС трансформации Етр. Вызванный этой ЭДС ток создает МДС трансформации Fтр, размагничивающую тахогенератор. При неподвижном роторе ЭДС в рабочей обмотке ωр отсутствует, так как эта обмотка не пересекается потоком возбуждения.
При вращении ротора в нем наводится дополнительно переменная ЭДС вращения Евр, пропорциональная частоте вращения ротора. Вызванный ею ток создает поперечную МДС ротора Fвр и поперечный магнитный поток, который, пересекая рабочую обмотку, индуцирует в ней ЭДС выхода Ееых, пропорциональную частоте вращения nin.
Основными достоинствами асинхронного тахогенератора являются постоянство частоты выходной ЭДС, малый момент инерции, малый нагрузочный момент и высокая надежность. К главным недостаткам относятся повышенная погрешность при малых частотах вращения, заметная нелинейность выходной характеристики и подверженность температурным влияниям. Первый недостаток обусловлен влиянием магнитной асимметрии тахогенератора, а второй — влиянием индуктивных сопротивлений ротора и рабочей обмотки. Температурные влияния обусловлены изменением активного сопротивления ротора и выходной обмотки при нагревании. Частично их устраняют выполнением роторов из материалов с малым температурным коэффициентом сопротивления (марганцовистые сплавы алюминия или меди).
Синхронные тахогенераторы выполняются магнитоэлектрическими и состоят из статора, в пазах которого уложена рабочая обмотка, и ротора в виде постоянного магнита. При вращении ротора его магнитный поток индуцирует в рабочей обмотке ЭДС. Эти тахогенераторы значительно проще и надежней тахогенераторов постоянного тока.