1.1 Загальні теоретичні відомості
Робота систем автоматичного керування і контролю пов’язана з вимірюванням параметрів регульованого об’єкта, для чого широко застосовуються електричні датчики вимірювання фізичних величин.
Датчик – конструктивно закінчений пристрій, призначений для вимірювання визначеної фізичної величини (тиску, швидкості, переміщення, тощо), у якого фізична величина Ф сприймається за допомогою чутливого елементу ЧЕ (первинне перетворення) Ф1 і перетворюється в іншу фізичну величину Ф2, зручну для подальшого використання. Структурно датчик може бути представлений:
ЧЕ – чутливий елемент; П – підсилювач; Пр – перетворювач
Рисунок 1.1 – Структурна схема датчика
Наприклад, у датчика тиску П-100 (рис. 1.2) вимірювальний тиск перетворюється в прогин мембрани, який підсилюється важільним механізмом і перетворюється в електричну величину (опір) потенціометричним перетворювачем.
а – принципова схема; б – структурна схема
Рисунок 1.2 – Датчик тиску П-100
За принципом роботи перетворювачі класифікуються на генераторні (індукційні, п’єзоелектричні) і параметричні (контактні, потенціометричні, індуктивні, ємкісні та ін.) Для перетворення фізичної величини в параметричному перетворювачі необхідно мати постійне джерело живлення. В генераторних перетворювачах електричний сигнал, про діючу фізичну величину, виробляється безпосередньо в результаті дії фізичної величин.
Найбільше поширення в датчиках отримали потенціометричні перетворювачі. Вимірювальні потенціометри намотують константовим, манганіновим та, у відповідальних випадках, платино-іридієвим дротом на пластмасовому чи оксидованому алюмінієвому каркасі.
Позитивні якості потенціометричних перетворювачів полягають у простоті конструкції і вимірювальної схеми, а також великої вихідної потужності. Недоліком є обмежена надійність, чутливість до температури та вологи. Похибки потенціометричних перетворювачів взагалі визначаються нелінійністю потенціометра, зоною нечутливості, впливом люфту осі, зовнішнім навантаженням.
Для фіксації фізичної величини, як правило, використовують мостовий вимірювальний ланцюг (рис. 1.3).
Rд – додатковий опір, призначений для розширення лінійної зони потенціометра; Rо – обмежуючий опір, призначений для обмеження струму, що проходить у вимірювальному ланцюгу, при крайньому положенні повзуна потенціометра;
Rб – балансуючий опір, призначений для балансування вимірювального ланцюга;
Rн – опір навантаження
Рисунок 1.3 – Мостова вимірювальна схема
Для дистанційної передачі кута оберту вала (індикаторний режим) і визначення кута неузгодженості положення задаючого та виконавчого вала у стежачих приводах (трансформаторний режим) використовуються сельсини. Сельсин являє собою електричну машину з трифазним статором і однофазним ротором (застосовуються також сельсини с трифазним статором і ротором, а також однофазним статором). До обмотки ротора сельсина підводять напругу 36 В частотою 400 Гц, при цьому в статорних обмотках підводять ЕРС, величина і фаза котрих рівнозначно визначаються кутовим положенням ротора.
В сельсинній передачі використовують два сельсини – датчик і приймач, у яких однойменні виходи статорних обмоток з’єднані провідною лінією. Для роботи в індикаторному режимі (рис. 1.4) з’єднують і обмотки роторів. При узгоджувальному режимі положення роторів (α = β), ЕРС в однойменних обмотках статорів рівні, струм в лінії не протікає і сельсини не взаємодіють.
Рисунок 1.4 – Схема індикаторного режиму роботи сельсинів
При неузгодженості роторів (α ≠ β), різниця ЕРС призводить до появи струму у з’єднувальних провідниках і обмотки статорів. Цей струм взаємодіє з магнітними потоками роторів і створює синхронізуючий момент, прагнучий узгодити ротори. Похибка такої передачі, в значній мірі, визначається моментом тертя ротора сельсина-приймача.
Схема сельсинної передачі, що працює в трансформаторному режимі (рис. 1.5), відрізняється від описаної тим, що змінним струмом живиться тільки обмотка ротора сельсина-датчика, а з обмотки ротора сельсина-приймача знімається вихідна напруга, амплітуда і фаза котрої визначається кутом неузгодженості роторів.
Напруга статорних обмоток датчика прикладається до однойменних обмоток приймача створюючи відповідний струм и магнітний потік. Сумарний магнітний потік, статорних обмоток приймача, має направлення у просторі, яке збігається з кутовим положенням ротора датчика. Вихідна напруга, на обмотці ротора приймача, залежить від взаємного розташування роторів, при α–β =90° - дорівнює нулю. Це положення роторів є узгодженим в трансформаторному режимі.
Рисунок 1.5 – Схема трансформаторного режиму роботи сельсинів
Вихідна напруга звичайно вводиться в якості сигналу зворотного зв’язку в підсилювач, що керує приводом виконавчого вала, зв’язаного з сельсином-приймачем. Привод буде повертати вал доти, поки сельсин-приймач не узгодиться з сельсин-датчиком. При високій чутливості підсилювача похибка передачі кута визначається, звичайно, не ідентичністю сельсинної пари.