Исследование работы датчиков. 180403 "Эксплуатация судовых энергетических установок",

Исследование работы датчиков

Методические указания к выполнению

лабораторных работ

по курсу "Теория автоматического управления"

для студентов специальностей

220301 "Автоматизация технологических процессов и производств",

140106 — "Энергообеспечение предприятий",

180403 "Эксплуатация судовых энергетических установок",

180404 "Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики"

 

Мурманск

УДК

 

Составители: Маслов Алексей Алексеевич, к.т.н., профессор кафедры автоматики и вычислительной техники Мурманского государственного технического университета;

Яценко Виктория Владимировна, старший преподаватель той же кафедры

 

 

Издаются в авторском исполнении без редакторской правки

 

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой

«25» апреля 2007г., протокол № 4

 

 

Рецензент – Висков Андрей Юрьевич, к.т.н., доцент кафедры автоматики и вычислительной техники Мурманского государственного технического университета

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

1. Цели работы:

изучение конструктивных особенностей и принципа действия, схемы включения, области применения, достоинств и недостатков потенциометрического датчика, выработка практических навыков построения статических характеристик датчика, исследование влияния величин сопротивлений нагрузки на чувствительность потенциометрического датчика.

Теоретические сведения

Переменные резисторы, применяемые в электроавтоматике для регистрации линейных и угловых перемещений, а также преобразования этих перемещений в электрическое напряжение, называются потенциометрическими датчиками (ПД).

В простейшем виде ПД представляет собой резистор (R), включенный по схеме делителя напряжения (рис. 1, а).

 

 

		в)

 

Рис. 1 Однотактный ПД (а) и его характеристики (б, в)

 

В устройствах автоматики чаще всего применяют проволочный ПД с непрерывной намоткой. Он представляет собой устройство, состоящее из каркаса, на который намотан в один ряд изолированный провод с высоким удельным сопротивлением, и подвижного контакта (движка), скользящего по виткам провода. Каркас выполняют из диэлектрического материала (текстолита, эбонита, стеклотекстолита, керамики) или металла (оксидированного алюминия). Применяют и другие металлы, покрытые тонким слоем изоляции.

Металлические каркасы обладают повышенной теплопроводностью и пропускают большие плотности тока через обмотку ПД. Для обработки используют тонкий провод из константана, манганита, нихрома, а также сплавы из благородных металлов на основе платины, серебра. Намоточный провод должен иметь большое удельное сопротивление и маленький температурный коэффициент сопротивления. Диаметр провода делают в пределах 0,03¸0,1 мм для прецизионных (высокоточных датчиков) и 0,3¸0,4 мм – для датчиков низкого класса точности. Контактирующая с обмоткой часть движка выполняется в виде двух – трех проволочек или пластинок, укрепленных в щеткодержателе. Контактное давление для уменьшения усилий перемещения движка делается небольшим (до десятых долей грамма). Для увеличения надежности и улучшения отвода тепла ПД иногда герметизируют, заполняя свободные полости инертными газами или водородом.

По конструктивному исполнению каркаса различают плоские и цилиндрические ПД с прямолинейным перемещением движка, а также кольцевые и спиральные. Наиболее распространенной формой исполнения каркаса ПД является тороидальная форма. Благодаря малому радиусу движка такая форма позволяет снизить до минимума момент, необходимый для перемещения движка, что увеличивает чувствительность ПД.

Конструкция ПД может определять схему включения.

На рис. 1,а показана однотактная схема включения ПД с прямолинейным перемещением движка. Входной величиной ПД является перемещение l движка, выходной – напряжение U_вых на сопротивление нагрузки R_н, которое имитирует входное сопротивление последующего элемента системы автоматического управления. Основной характеристикой любого элемента системы автоматики является статическая характеристика, которая определяет зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме. Так, для ПД (рис. 1, а) зависимость выходного напряжения от перемещения движка является статической характеристикой ПД.

При холостом ходе (х.х.) (R_н=¥, I_н=0) напряжение на выходе датчика U_вых равно падению напряжения на введенном участке ПД с сопротивлением R_x (рис. 1,а):

,

где - ток в цепи ПД;

R - полное сопротивление ПД.

При х.х. и плавном изменении сопротивления ПД выходное напряжение U_вых является линейной функцией входного перемещения l. Однако в многовитковых прецизионных ПД необходимо учитывать ступенчатость изменения напряжения при перемещении движка с витка на виток. Поэтому реальная зависимость для этих датчиков представляет собой ступенчатую характеристику (рис. 1, б), а штриховая прямая, проходящая через середины ступенек, – расчетную (экспериментальную) характеристику.

Для получения аналитического выражения статической характеристики при подключении нагрузки R_н используют метод эквивалентного генератора. При этом ток нагрузки (рис. 1, а)

,

где - напряжение на выходе ПД при данном положении движка в режиме x.x.;

- внутреннее сопротивление эквивалентного генератора (сопротивление между выходными выводами ПД при замкнутых накоротко входных выводах).

Следовательно, выходное напряжение

, (2.1)

где

Изформулы (2.1) следует, что подключение нагрузки приводит к нелинейности статических характеристик (рис. 1, в).

Для уменьшения нелинейности статических характеристик ПД сопротивление нагрузки R_н должно быть во много раз больше сопротивления потенциометрического датчика R (обычно ).

Схема, приведенная на рис 2.1, а, является нереверсивной, так как при любом положении движка знак выходного напряжения или его фаза при питании от сети переменного тока не меняется.

В качестве датчиков, реагирующих на знак входного перемещения, используют двухщеточные мостовые двухтактные ПД (рис. 2, а), а также реверсивные или двухтактные ПД с выводом средней точки (рис. 2, б). Статические характеристики таких датчиков приведены на рис. 2, в. Например, при перемещении движка вниз от средней точки, что соответствует изменению знака перемещения, изменяется знак выходного напряжения (рис. 2, г, д). У двухтактных датчиков, питаемых переменным током, изменение знака входного перемещения приводит к изменению фазы выходного напряжения на 180⁰ (рис. 2, е). Если при перемещении движка выходное напряжение должно изменяться по определенной нелинейной функции, то применяют профильные, ступенчатые, синусно-косинусные и другие ПД.

 

 

Рис. 2. Двухтактные ПД (а, б) и их характеристики (в, г, д, е)

Потенциометрический датчик, как чувствительный (измерительный) элемент автоматической системы регулирования, рассматривается вместе с сопротивлением нагрузки. При активной нагрузке ПД является безинерционным звеном автоматической системы, так как его индуктивность очень мала. Поэтому ею можно пренебрегать до частот, достигающих нескольких десятков килогерц. При активно-реактивной нагрузке начинает проявляться инерционность устройства. Тип звена (его динамические свойства) в этом случае определяется характером нагрузки.

ПД нашли широкое применение в судовых системах автоматического управления сигнализации и защиты. Как правило, ПД работают совместно с манометрами, преобразующими давление рабочей среды в перемещение движка потенциометра. Таков, например, потенциометрический датчик давления типа F16.1NAZ, установленный на судах проекта "Атлантик 333".

Широкое применение ПД получили благодаря таким достоинствам, как простота конструкции, малые габариты, достаточно большая мощность, работа на постоянном или переменном токах, высокая чувствительность. К недостаткам ПД относятся: наличие скользящего контакта, что снижает их надежность и требует усилий для его перемещения; ступенчатость статических характеристик и их нелинейность при больших нагрузках по току и мощности.

Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки приведена на рис.3. В состав установки входят мостовые потенциометрические датчики RR₁, RR₂, у которых есть вывод средней точки, ключ S₁, нагрузочные резисторы R₁ и R₂, переключаемые ключом S₂. Один из потенциометров мостового датчика может использоваться в качестве однотактного нереверсивного датчика. Отсчет входного напряжения ведется по шкале, встроенной в корпус ПД. Отсчет выходного напряжения производится с помощью вольтметра, подключаемого на выходные клеммы ПД 3-2 или 3-4. К этим клеммам подключается через S₁, S₂ нагрузка датчика (R₁ и R₂). Питание лабораторной установки осуществляется постоянным напряжением 110В, поступающим на выводы 1,2 ПД.

 

Рис. 3 Схема лабораторной установки