Теоретические сведения

Датчиком называется первичный элемент автоматической системы, реагирующей на изменение физической величины, которая характеризует про­цесс, и преобразующий эту величину в форму, удобную для использования последующими элементами системы. Датчики, в которых неэлектрические ве­личины преобразуются в электрические, подразделения на параметрические (например, термометр сопротивления) и генераторные (например, термопары).

Термометры сопротивления получили широкое распространение для измерения температур различных сред в пределах от - 200 до + 650° С. Метод измерения такими термометрами основан на свойстве некоторых материалов менять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Ста­тическая характеристика термометра сопротивления от температуры для ме­таллов и выражается формулой (3.1).

, (2.1)

где R₀ - сопротивления при нормальных условиях (t₀=20° C);

- температурный коэффициент сопротивления;

t - измеряемая температура.

Величина R₀ характеризует наклон статической характеристики датчика к оси абсцисс и, следовательно, определяет коэффициент усиления датчика. Ста­тическая характеристика таких датчиков является линейной. Чувствительные элементы промышленных термометров сопротивления обычно изготовляют из платины или меди.

Конструкция термометров сопротивления показана на рис. 2.2.

Рисунок 2.2

1 - Колпачок (элемент герметизации);

2 - Штуцер (элемент герметизации);

3 - Защитная арматура (стальная трубка);

4 - Чувствительный элемент;

5 - Выводная колодка.

Чувствительный элемент 4 термометра сопротивления представляет со­бой намотанную на керамический каркас проволоку из металла, температурный коэффициент которого достаточно высок и постоянен во всем диапазоне тем­ператур, в котором его предполагается использовать. Обмотка чувствительного элемента изолирована от защитной трубки 3 изоляционной пленкой, а концы её припаяны к выводной колодке.

Термопара. Принцип действия термопары основан на возникновении термо-ЭДС, зависящей от разности температур горячего спая и свободных концов термопары. Конструкция термопары представлена на рис.2.3.

Рисунок 2.3 - Термопара

Конструкция термоэлектрического термометра:

1. - Керамический наконечник;

2. - Штуцер;

3. - Сальниковые уплотнения;

4. - Крышка;

5. - Контактные колодки;

6. - Водозащитная колодка;

7. - Эпоксидный компаунд;

8. - Защитная арматура;

9. - Керамические изоляторы;

10 - Термоэлектроды;

11 - Горячий спай.

Термоэлектроды 10 по всей длине изолированы друг от друга кера­мическими изоляторами 9. Концы термоэлектродов сварены между собой и образуют горячий спай 11. Свободные концы термоэлектродов подсоединя­ются к контактам колодки 5. Термоэлектроды и контактные зажимы помещены в защитную арматуру 8. Для обеспечения виброустойчивости они засыпаны безводной окисью алюминия и герметизированы эпоксидным компаундом 7. К контактным зажимам колодки подсоединены компенсационные провода, ко­торые выводятся из головки термометра через сальниковые уплотнения 3 со штуцером 2. Водозащитная головка термометра 6 закрыта крышкой 4. Горячий спай термопары изолирован от защитной арматуры керамическим наконечни­ком 1.

Статические характеристики датчиков определяют зависимость вы­ходной величины Х₂ датчика (унифицированный сигнал) от входной (контро­лируемой) X₁ при стационарном (установившемся) режиме работы. Для термо­метров сопротивления эта зависимость имеет вид ; для термопар , где t - температура.

Коэффициент усиления (передачи) какого-либо физического объекта ха­рактеризует статическую связь между двумя величинами - входной (X₁) и вы­ходной (X₂). Этот коэффициент показывает, насколько изменится выходной параметр при подаче на объект единичного входного воздействия. Рассчиты­вается он по формуле (2.2) и является тангенсом угла наклона статической ха­рактеристики

(2.2)

где - угол наклона статической характеристики объекта к оси абсцисс (по оси абсцисс откладывается входная величина X₁ по оси ординат выходная Х₂).

Динамические характеристики автоматической системы и ее элементов представляют собой зависимости изменения выходной величины во времени при известном законе изменения во времени входной величины . Эти характеристики могут быть представлены дифференциальными уравнениями, передаточными и переходными функциями, частотными зави­симостями.

В практике решения инженерных задач при разработке систем автомати­ческого регулирования часто возникает потребность в знании численных зна­чений основных динамических параметров конкретных физических объектов. К этим параметрам относятся: постоянная времени объекта Т, коэффициент самовыравнивания р и скорость разгона .

Постоянная времени Т характеризует инерционность объекта и может быть определена путем геометрических построений на графике переходной функции (кривой разгона) объекта, полученном в результате активного эксперимента (рис.2.4, а).

Переходная функции представляет собой кривую изменения выходной величины Х₂ во времени при переходе объекта из одного равновесного со­стояния в другое в результате поступления на вход этого объекта ступенчатого возмущающего воздействия Х₁ (рис. 2.4, а).

Пусть в некоторый момент времени , принимаемый за начало отсчета,

входное воздействие скачком изменяется на величину , до значения , которое в дальнейшем остается постоянным. Тогда, начиная с момента , выходная переменная объекта Х₂ будет изменяться во времени по определен­ному закону, который в данном случае соответствует графику, приведенному на рисунке 2.4, б.

Рисунок 2.4

Важной характеристикой исследуемого переходного процесса является также скорость разгона, численное значение которой рассчитывается по фор­муле

(2.5)

где К - коэффициент усиления объекта;

Т - постоянная времени.

Величина Е характеризует скорость изменения выходной переменной объекта при подаче на его вход единичного возмущающего воздействия.