4. Бионические элементы автоматики

Развитие бионики открывает новые возможности в построении элементов автоматики, которые заключаются в изучении тех приемов, к которым прибегает природа для решения различных задач.

В настоящее время разработано много приборов, использующих принцип работы отдельных органов живых органов. Например, по подобию с органами медуз было сконструировано устройство, позволяющее предсказывать шторм. Структурная схема такого устройства представлена на рис. 7.

1 – элемент информации; 2 – резонатор; 3 – пьезоэлемент; 4 – усилитель; 5 – индикатор

Рис. 7. Структурная схема устройства для предсказания шторма.

Данное устройство состоит из элемента информации 1 в виде воспринимающего инфразвуковые волны рупора, резонатора 2, пьезоэлектрического элемента 3, усилителя 4 и индикатора 5.

1.2. Первичные преобразователи с электрическим выходным сигналом

1.2.1. Преобразователи первичные основные понятие

Датчики пути и положения рабочих органов.

Автоматизация производственных процессов может успешно осуществляться только при наличии современных технических средств, которые должны базироваться на новейших достижениях науки и техники. К этим средствам автоматики можно отнести датчики, преобразователи, усилители, задающие устройства, исполнительные органы и т.д.

Элементами систем, обеспечивающими получение информации, являются измерительные преобразователи. В автоматике используют термин «первичный преобразователь» или «датчик». Термин «первичный преобразователь» будем использовать при описании принципа действия того или иного измерительного устройства, а термин «датчик» - при пояснении конструктивного исполнения.

Датчики пути и положения рабочих органов обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от пройденного пути или положения рабочих органов управляемого объекта.

Электроконтактные датчики представляют собой конечные, путевые выключатели, микропереключатели (рис.1).

Рис.1. Схема электроконтактного путевого датчика.

У датчика имеется шток 2, который воздействует через механизм передачи на контакт 1. Принцип действия датчика основан на том, что его устанавливают на неподвижных частях рабочих органов в определенном положении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплены кулачки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчик, вызывая их срабатывание. В качестве путевых датчиков в настоящие время используют современные бесконтактные датчики пути или положения рабочих органов управляемого объекта, например (БВК).

1.2.2. Электроконтактные и потенциометрические датчики

В настоящие время существует множество разнообразных по принципу действия и назначению измерительных преобразователей (ИП).

В качестве классификационных признаков ИП можно применять многие характеристики преобразователей: вид функции преобразования, вид входной и выходной величины, принцип действия и т. д.

По виду используемой энергии ИП подразделяются на, электрические, механические, пневматические и гидравлические.

По соотношению между входной и выходной величинами различают следующие виды ИП:

неэлектрических величин в неэлектрические (рычаг, редуктор, мембрана и др.);

неэлектрических величин в электрические (потенциометры, термопары, емкостные и др.);

электрические величины в электрические;

электрические величины в неэлектрические (измерительные механизмы электроизмерительных приборов).

В зависимости от вида выходного сигнала различают ИП аналоговые, дискретные, релейные и др.

По виду функции преобразования различают следующие ИП: масштабные, функциональные – осуществляющие однозначное функциональное преобразование входной величины с изменением ее физической природы или без изменения; операционные

По виду структурной схемы различают преобразователи прямого однократного преобразования, последовательного прямого преобразования.

По характеру преобразования входной величины в выходную ИП подразделяются на параметрические, генераторные, частотные, фазовые.

По виду измеряемой физической величины различают ИП линейных и угловых перемещений, давления, температуры и т. д.

По физическим явлениям в ГСП принято следующая классификация ИП механические, электромеханические, электрохимические, оптические, электронные и ионизационные.

Даже столь развернутая классификация по ряду признаков не является исчерпывающей, так как за каждым определением стоит группа преобразователей с разными техническими и конструктивными характеристиками.

Одним из главных элементов в любой системе автоматики и телемеханики являются электрические датчики. Назначение датчика – преобразование контролируемой или регулируемой величины в величину другого рода, удобную для дальнейшего использования. В большинстве случаев датчики преобразуют неэлектрическую величину в электрическую величину. Несмотря на все многообразие ИП, их структурные схемы можно свести к нескольким типам (табл. 1.2)

Таб. 1.2

Тип схемы	Статическая характеристика	Погрешность преобразования
Прямого однократного преобразования.	x
Последовательного прямого преобразования
Дифференциальная
С обратной связью (компенсационная)

Наиболее совершенной схемой ИП является схема с обратной связью, или компенсационная схема. В датчиках, построенных по этой схеме, обеспечивают автоматическое уравновешивание контролируемой величины компенсирующей величиной того же рода непосредственно или после предварительного преобразования. Преобразователи с отрицательной обратной связью принципиально точнее, чем схемы прямого последовательного преобразования. Отрицательная обратная связь существенно снижает влияние погрешностей звеньев прямой цепи на результат преобразования.

На работу электрических датчиков оказывает влияние следующие факторы: периодичность и максимальная частота процесса, знакопеременность кривой изменения процесса и наличие в ней постоянной составляющей, температурные условия места измерения, атмосферные условия и т.д.

Контактные датчики – это датчики параметрического типа, которые изменяют электрическое сопротивление при изменении той или иной механической величины. Они предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал.

Контактные датчики широко применяются в системах автоматического контроля и сортировки размеров, а также в системах автоматической сигнализации различных физических величин. Статическая характеристика контактного датчика имеет релейный характер, так как его выходная величина – сопротивление электрической цепи – изменяется скачком.

На рисунке 1 а) изображен простейший контактный датчик с одной парой контактов – однопредельный, а на рис. 1 б) двухпредельный.

а). б).

Рис. 1. Основные типы контактных датчиков.

Замыкание контактов 1 и 2 происходит в результате изменения размера изделия И. Если размер изделия И увеличивается, то измерительный щуп 3 перемещается вверх, в результате чего контакты 1 и 2 приходят в соприкосновение. Пружина 4 соединяет измерительный щуп 3 с одним из выводов.

Иногда контактные датчики могут работать либо на замыкание (размыкание) всей цепи, либо на замыкание части одного из сопротивлений R резистора цепи.

Потенциометрические датчики.

Измерительные преобразователи, выполненные в виде реостата, подвижный контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины, называется реостатными измерительными преобразователями. Чаще всего реостатные ИП включаются в измерительную цепь по схеме потенциометра, поэтому в ряде источников используется термин «потенциометрические преобразователи».

Выходной величиной ИП является электрическое сопротивление, функционально связанное с положением подвижного контакта. Реостатные преобразователи служат для преобразования угловых или линейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока или напряжения.

В устройствах автоматики широко применяют проволочные реостатные преобразователи.

Конструктивно реостатные преобразователи (рис.2, а, б) состоят из каркаса 1, обмотки из изолированного провода 2 и токосъемного контакта 3 в виде щетки или движка, скользящего по виткам провода, очищенного от изоляции.

а). б).

а) – линейный; б) – угловой;1 – каркас; 2 – провод; 3 – токосъемный контакт.

Рис. 2. Потенциометрические датчики:

Изготавливают щетку либо из чистых металлов (платина, серебро), либо из сплавов (платина с иридием). Материал щетки должен быть несколько мягче материала проволоки, чтобы проволока не перетиралась.

К зажимам обмотки реостата подключается напряжение U постоянного или переменного тока неизменного значения. При перемещении движка выходное напряжение Uвых меняется пропорционально входной величине X. Таким образом осуществляется преобразование перемещений в напряжение (рис.3).

схема включения статическая характеристика

Рис. 3. Электрическая схема и характеристика потенциометрического датчика.

Учитывая, что по конструктивным особенностям R≡l, r≡X, где R – полное сопротивление преобразователя; l – длина намотки обмотки; r – сопротивление части обмотки, приходящейся на перемещение X движка реостата, функция преобразования будет иметь вид

Uвых=(U/R)r=(U/l)X=KX, 1)

где К = коэффициент преобразования.

Для преобразования углового перемещения в режиме холостого хода функции преобразования где φ – угол поворота движка от нулевого положения (см. рис.3).

Uвых=Кφ, 2)

где φ – угол поворота движка от нулевого положения (см. рис.2б).

В ряде случаев нужны преобразователи, учитывающие знак входного сигнала, - двухтактные измерительные преобразователи. Их можно построить на основе однотактных потенциометрических преобразователей, если снимать выходной сигнал с движка и средней точки потенциометра или с диагонали мостовой схемы, образованной двумя потенциометрическими датчиками со средней точкой. Два возможных варианта включения потенциометрических датчиков по двухтактной схеме приведены на (рис.4, а, б). Их статические характеристики соответственно 1 и 2 (рис.4,в).

а) – с использованием б) – по мостовой схеме; в) – статические характеристики

средней точкой;

Рис. 4. Варианты включения двухтактных потенциометрических

датчиков.

Реальные характеристики реостатных преобразователей значительно отличаются от идеальных характеристик. Из-за различных погрешностей, дискретности выходного сопротивления, отклонение функции преобразования от расчетной, изменения температуры преобразователя, влияние сопротивления нагрузки.

Наибольшую погрешность может обусловить неправильно выбранный режим преобразователя – малое сопротивление нагрузки. Реостатный преобразователь с подключенной нагрузкой Rн (рис. 5, а) можно представить эквивалентной схемой (рис.5,б).

а) – схема включения б) – эквивалентная в) – статические

с нагрузкой; схема; характеристики.

Рис.5 .Потенциометрический датчик с подключенной нагрузкой.

Для нее справедливы следующие соотношения:

1)

2)

Подставляя второе выражение в первое, получим.

3)

Как видно из полученного выражения, статическая характеристика

зависит от сопротивления нагрузки и определяет методическую погрешность.

Относительную погрешность можно определить из формулы:

4)

Чтобы определить максимальную погрешность, приравняем производную к нулю:

5)

откуда получаем

6)

Следовательно, преобразователь имеет наибольшую погрешность при отклонении движка на 2/3 общей длины l. Подставив выражение 6) в 5), получим формулу для расчета максимальной погрешности:

7)

где α=Rн/R – коэффициент нагрузки.

В общем случае необходимо, чтобы коэффициент нагрузки был как можно больше, однако на практике его выбирают в пределах 10÷100.

К достоинствам проволочных реостатных преобразователей можно отнести: простота конструкции; малые размеры и массу; возможность получение необходимых функциональных зависимостей относительно простыми средствами; получение высокоточных линейных статических характеристик; стабильность характеристик; возможность работы на переменном и постоянном токе; малый ТКС.

Недостатками этих элементов следует считать: наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказа из-за окисления контактной дорожки; сравнительно небольшой коэффициент преобразования; наличие шума; ограниченную частоту переменного тока (до1000Гц); низкую износоустойчивость.