Материал: Вимірювальні перетворювачі

Вимірювальні перетворювачі

1. Загальні відомості. Класифікація

Керувачі (КП) - пристрої, призначені для порівняння інформації, що надходить від задавачів (З) з інформацією про стан привода, що передає по ланцюгу зворотного зв’язку (ЗЗ).

Технічне виконання К залежить від виду З. Якщо вихідний вал СП слідкує за зміною напруги, що надходить з аналогової ЕОМ, програмного, оптичного або радіолокаційного пристрою, то в якості К застосовують сумуючий каскад на вході підсилювача. На структурній схемі такий К зображують так, як показано на рис. 1, а. В якості перетворювача В в ланцюгу ЗЗ в позиційному СП використовують потенціометр, у швидкісному - тахогенератор (див. Рис. 1).

У місцевому СП в якості К застосовують один датчик (індукційний, потенціометричний), корпус якого пов’язаний з задаючим валом, а ротор або відповідно бігунець (повзун) - з валом виконавчого двигуна. Схема підключення потенціометра постійного струму зображена на рис. 2, а. Для використання потенціометра на змінному струмі (рис. 2, б) можна застосувати трансформатор з середньою точкою.

Якщо в якості З служить вхідний сигнал, розташований на значній відстані від виконавчого валу, то К будують на основі дистанційної потенціометричної або індукційної передачі, що складається з ідентичних датчиків, електрично ввімкнених по мостовій або трансформаторній вимірювальній схемі. На структурній схемі такий К зображають так, як показано на рис. 1, б. Такі пристрої частіше називають вимірювачами розузгодження (ВР). Як видно з рис. 1, б, ВР порівнює кути повороту і перетворює одержану різницю в електричний сигнал.

Основними характеристиками і параметрами ВР є наступні:

статична характеристика , що представляє собою залежність вихідного сигналу від помилки розузгодження;

коефіцієнт перетворення (чутливість) ;

похибки вимірювального пристрою;

потужність вихідного сигналу.

До основних вимог, що пред’являються до ВР, відносяться:

висока точність вимірювання та перетворення кута розузгодження;

лінійність і велика крутизна статичної характеристики;

мала потужність споживання електричної енергії;

безінертність;

надійність;

мінімальні розміри і маса.

Особливо жорсткі вимоги пред’являють до чутливості і точності вимірювання, оскільки точність СП не може бути вище точності пристрою, що вимірює і перетворює сигнал розузгодження. Основним показником точності вимірювання є похибка вимірювання, тобто відхилення результату вимірювання від істинного значення величини, що вимірюється. Похибки вимірювання поділяють по способу виразу на абсолютні і відносні, а за джерелом виникнення - на інструментальні, допущені при виготовленні власне вимірювачів, і методичні, що виникають внаслідок недосконалості вимірювальної схеми або неузгодження опорів.

. Механічний диференціал

В СП з механічним зворотнім зв’язком в якості ПУ знаходять застосування механічні диференціали (МД). По конструкції

МД поділяють на конічний шестеренний (рис. 3, а) і гвинтовий (рис. 3, б).

Як видно на рис. 3, а, конічний МД складається з двох незалежних приводних конічних зубчастих коліс 2 і 4, зв’язаних відповідно з задавального та виконавчою осями СП, і двох сателітів 1, 3, жорстко з’єднаних хрестовиною, вісь 5 котрої вільно проходить через втулку колеса 4 і є вихідною віссю пристрою. При обертанні коліс 2 і 4 в протилежні боки з однаковими швидкостями сателіти і зв’язана з ними вісь 5 будуть нерухомі. При зупинці або випередженні одного з коліс на вихідній осі виділяється різниця кутів повороту , що є кутом розузгодження.

У гвинтовому МД (рис. 3, б), що складається з гайки 1 і гвинта 2, при наявності розузгодження гвинт переміщується відносно закріпленої в горизонтальному напрямку гайки вправо або вліво в залежності від знаку розузгодження.

Конструкція МД повинна повністю виключати можливість безпосередньої передачі енергії і реактивних крутних моментів з боку вихідної ланки на вхід МД.

Перевагами МД є висока надійність і наявність обертального і поступального видів руху вихідного елемента. Проте МД властиві всі недоліки механічних редукторів: тертя, низька зносостійкість і обмежений ресурс роботи, низька точність, зумовлена зазорами і технологічні похибки виготовлення зубчастих коліс і недосконалістю складання (неспівпадання осей обертання з геометричними осями, відхилення від перпендикулярності). Крім того, з допомогою МД не можна здійснювати дистанційну передачу, оскільки для його роботи необхідна безпосередня близькість задавальної і виконавчої осей приводу. Тому основне застосування МД знаходять в гідравлічних пристроях для створення внутрішніх зворотних зв’язків, наприклад в гідроприводі з об’ємним регулюванням або електрогідравлічним підсилювачем. В решти випадках застосування МД вимагається додатковий пристрій для перетворення механічного сигналу в електричний.

.Вимірювачі розузгодження на потенціометрах

Потенціометричні схеми призначені для вимірювання лінійного або кутового розузгодження з перетворенням на постійному або змінному струмі. З цією метою використовують потенціометри однообертові з обмеженим (в межах ) і необмеженим кутами повороту, а також багато обертові.

Для дистанційного управління використовують два потенціометри, кінематично зв’язаних з задавального і виконавчою осями СП. Потенціометри електрично можуть бути ввімкнені по мостовій (рис. 4 а) або трьохпровідній (рис. 4, б) вимірювальній схемі. При узгодженому положенні задавальної та виконавчої осей () міст, утворений передаючими  і приймаючими  потенціометрами, зрівноважений, і вихідна напруга , що знімається з вимірювальної діагоналі мосту (зі щіток), дорівнює нулю. При переміщенні щітки потенціометра  на кут , а щітки потенціометра  на кут , де  - кут розузгодження (похибка), міст виходить з рівноваги, і на виході схеми з’являється сигнал, пропорційний значенню розузгодження.

Для СП застосовують датчики кута повороту типу ПД, ПП, який відрізняється від ПД наявністю кінцевих вимикачів, ПТП, а також прецизійні ПЛ1-1, ПЛ1-2. технічні дані деяких потенціометрів приведені в табл.1. Для розширення діапазону роботи СП застосовують кругові потенціометри типу ПК (двохщіткові) або ПК3 (трищіткові) з необмеженим обертанням (движка) і трьома або чотирма відводами.

Три провідна вимірювальна схема на потенціометрах з живленням через зв’язані з задавальною віссю СП рухомі контакти потенціометра-датчика  показана на рис. 4, б. Завдяки рівномірності намотки потенціометра діаграма розподілу потенціалів по секціях потенціометра  симетрична (рис. 4, в), а положення максимуму потенціалу відповідає плюсу джерела живлення, якщо за точку з потенціалом, що дорівнює нулю, прийнято мінус джерела живлення. Три провідна схема забезпечує аналогічний розподіл потенціалів і на потенціометрі . Очевидно, що напруга , яка знімається зі щіток , буде дорівнювати нулю тільки в тому випадку, якщо щітки потенціометрів знаходяться в рівно потенціальних точках. Як видно з вказаних діаграм, ця умова виконується при взаємно перпендикулярному положенні щіток потенціометрів  і . Це положення, що є положенням узгодження потенціометрів, досягається при на лаштуванні схеми розворотом щіток потенціометра  на кут  по відношенню до щіток потенціометра . При відсутності розузгодження щітки потенціометрів  і  перпендикулярні, і . При повороті задавальної осі (при появі сигналу розузгодження) механічне переміщення щіток  викликає обертання обох потенціальних діаграм. Нерухомі щітки  опиняться в точках з різними потенціалами і з них знімається напруга сигналу розузгодження.

При навантаженнях, що значно перевищують опір потенціометрів, розглянуті вище схеми ВР забезпечують лінійну залежність вихідної напруги - сигналу розузгодження:

.

Статична характеристика  в цьому випадку (режим холостого ходу) є прямолінійною (рис. 4, г). Коефіцієнт перетворення, що визначається відношенням напруги розузгодження

до кута розузгодження , залежить від підведеної до схеми напруги живлення  і робочого діапазону потенціометрів . Для нормального функціонування схеми необхідно, щоб робочі діапазони передаючого  і приймаючого  потенціометрів дорівнювали .

Похибки потенціометричних ВР залежать від багатьох причин і їх розділяють на статичні і динамічні похибки.

Статична похибка складається з методичної та інструментальної складових. Методична похибка з’являється при умові, що опір навантаження  співрозмірний з опором потенціометрів і робить шунтуючу дію. Для схеми, що представлена на рис. 4, а, вихідна напруга в цьому випадку визначається співвідношенням

де            -        кутове положення щітки потенціометру ;

       -        коефіцієнт навантаження, ;

   -        максимальний опір потенціометрів.

Статична характеристика (крива  на рис. 4, г) носить нелінійний характер. Похибка від неузгодженого опору і навантаження  зростає зі зменшенням .

Методичну похибку можна зменшити вмиканням на виході ВР елементу з високим вхідним опором (емітерного повторювача або повторювача напруги).

Статична інструментальна похибка обумовлена виробничими допусками і конструктивними факторами:

зазорами;

нерівномірністю намотки;

ступінчастістю характеристики;

зоною нечутвливості.

По інструментальній похибці назначаються класи точності потенціометрів (табл. 2). Для одержання необхідних характеристик в якості датчика і приймача необхідна вибирати потенціометри одного класу точності.

Динамічна похибка проявляється у вигляді шумів, що виникають за рахунок миттєвого порушення контактів при переході (движка) з витка на виток і при більших швидкостях відпрацювання управляючої дії.

. Індукційні вимірювачі розузгодження

В якості ВР змінного струму широкого застосування набули пристрої трансформаторної синхронної передачі на електричних індукційних мікро машинах типу сельсинів і обертових трансформаторів (ОТ).

ВР на сельсинах (рис. 5, а) складається з двох сельсинів: сельсина-датчика  і сельсина-приймача . До джерела живлення змінного струму підключена тільки обмотка збудження сельсина-датчика. Сельсин-приймач збуджується змінним магнітним потоком , що створюється фазними напругами сельсина-датчика, які передаються сельсину-приймачу по трипровідному ланцюгу синхронізації. Однофазна обмотка сельсина-приймача служить для виробітку сигналу розузгодження. Умовно-графічні зображення схеми на безконтактних сельсинах у відповідності з ГОСТ 2.722-68 дано на рис. 5, б.

В момент узгодження, що характеризується взаємно перпендикулярним розташуванням осей однофазних обмоток сельсинів, сумарний магнітний потік приймача перпендикулярний до осі вихідної обмотки сельсина приймача і напруга розузгодження . При наявності рзузгодження механічний поворот ротора сельсина датчика перетворюється в поворот магнітного потоку сельсина приймача. Цей потік пронизує однофазну управляючу обмотку, з якої знімається напруга, що характеризує відхилення сельсинів від положення узгодження:

де         -        максимальна напруга синхронізації.

Застосування обертових трансформаторів (ОТ) в якості формувачів сигналу управління зумовлено підвищенням вимог до точності СП, оскільки схеми на ОТ забезпечують точніше перетворення кута розузгодження. Найчастіше вимірювання виконують з допомогою двох ОТ ( і ), ввімкнених по трансформаторній схемі (рис. 5, в) і працюючих аналогічно ВР на сельсинах. Схема на ОТ виробляє напругу розузгодження

де          -        напруга живлення;

      -        коефіцієнт трансформації між обмоткою збудження і вторинною обмоткою.

Сельсини і ОТ випускаються в контактному і безконтактному виконанні, корпусні і безкорпусні, з різними напругами збудження і на різні частоти. Підвищення частоти живлення дозволяє зменшити розміни датчиків.

Вихідні напруги ВР на сельсинах і ОТ є неперервною функцією кута розузгодження  і містять інформацію, необхідну для управління СП. Статистична характеристика індукційного ВР, побудована згідно (2) та (2), носить нелінійний характер (рис. 5, г). Це перечить загальним вимогам до лінійності характеристик вимірювальних пристрої і приводить до появи таких недоліків, як непостійність крутизни характеристикики та зміни фази вихідної напруги не тільки при зміні полярності, але і в залежності від значення сигналу розузгодження. Як витікає з рис. 5, г, зміна фази, а разом з нею і напрямок відпрацювання ВД проходить в точках ,  і , що характеризуються нульовими значеннями вихідної напруги.

При розузгодженнях, менших , напрямок відпрацювання ВД (на рис. 5, г показано стрілками) сприяє усуненню розузгодження, і привод автоматично приходить в положення стійкої рівноваги при . При розузгодженні  напрямок відпрацювання залежить від коливання напруги в системі: при незначному збільшенні напруги ВД відпрацьовує сигнал розузгодження до , а у випадку зменшення напруги - до . Це визначає положення нестійкої рівноваги системи, тобто точка  характеризується як нестійкість нуль . При розузгодженнях, що перевищують , напрямок відпрацювання ВД таке, що привід буде прагнути до стійкого нуля , яки є кут . В принципі це буде теж положення , але досягається вно розворотом всього приводу на , що недопустимо з точки зору початкової виставки приладу, замотування джутів і т.д.

З трьох розглянутих положень узгодження СП тільки положення  є точкою стійкої рівноваги та істинним нулем привода.

Приводи, в яких в якості вимірювача розузгодження використовуються мікро машини, володіють властивістю самосинхронізації в межах . Відмітимо, що наявність в системі таких великих розузгоджень виключається самим режимом роботи СП. Вони можливі тільки в моменти ввімкнення приводу, в режимі перекидання або у випадку, коли переміщення вихідного валу відбувається при вимкненому живленні. Нормальний режим роботи СП можна обмежити робочою зоною , в межах якої характеристика лінійна, володіє найбільшою крутизною і допустима заміна .

Замінюючи у виразах (1), (2) , одержимо