2.6. Технические требования на измерительный блок

1. Измерительный блок устройства определения частотных характеристик должен иметь в своем составе функциональный генератор для выработки сигналов возбуждения испытуемого элемента и микропроцессорный блок, осуществляющий прием и обработку сигналов по входам и выходам испытуемого элемента.

2. Общий диапазон изменения частоты

синусоидального сигнала генератора, Гц 0,2...2000

3. Виды выходного сигнала генератора синусоидальный сигнал; ступенчатый сигнал

4. Диапазон изменения частоты генератора

при управлении внешним сигналом, декад 2

Сигналы управления частотой генератора:

TTL-сигнал по порту CENTRONICS;

TTL-сигнал по порту RS-232;

В генераторе необходимо предусмотреть также ручное управление частотой.

5. Предел регулирования амплитуды выходного напряжения генератора при синусоидальном сигнале. В 0... 10

6. Пределы регулирования выходного

напряжения генератора при ступенчатом сигнале, В 0... ± 10 В

7. Пределы регулирования постоянной составляющей

выходного сигнала генератора, В -10...+10

8. Сопротивление нагрузки выхода генератора,

2. Разработка основных технических требований на устройство определения динамических характеристик 34

Блок процессора 45

Функциональный генератор 46

сигналами микропроцессорного блока, эл.град. -180...+180

9. Формат выходного сигнала микропроцессорного

блока для трансляции данных на ПК по стандарту RS-232

Приведенные выше технические требования определяют характеристики измерительной части устройств для измерения частотных характеристик большинства элементов электромеханических САР.

Для разработки устройства в целом, предназначенного для определения частотных характеристик группы конкретных объектов необходимо, как уже упоминалось выше, выбрать датчиковые и усилительные блоки устройства и разработать методики измерения.

Определение группы элементов электромеханических САР, для которых производится разработка конкретного устройства, производится в разделе 3

Выводы:

1. При построения системы (устройства) определения динамических характеристик основной целью является разработка измерительного блока системы, генерирующего и воспринимающего нормированные электрические сигналы. Г енерирование реальных физических воздействий на объект измерений и обработка его выходных сигналов должны производиться специализированными устройствами с нормированными входными (усилители, преобразователи) и выходными (датчики) сигналами.

. Устройство должно иметь возможность как прямого измерения частотных характеристик элемента, так и косвенного определения этих характеристик путем измерения переходных характеристик элементов. В конкретном случае выбор метода измерения должен производиться на программном уровне

3. Методики и схемотехнические решения для определения частотных характеристик характерной

ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ САР

1. Выбор характерной группы элементов сар для построения системы измерения

При построении полной системы измерения представляется целесообразным выбрать в качестве объекта исследования элемент электромеханической системы регулирования, для которого экспериментальное определение частотных характеристик представляет собой наиболее сложную задачу. В этом случае, такую систему можно без затруднений приспособить для определения характеристик других элементов, позволяющих применение более простых методик измерения. При этом при переходе к измерениям характеристик более простых элементов, в системе потребуется изменить лишь согласование уровней входных и выходных сигналов элемента и системы измерения, что обеспечивается либо переключениями пределов измерения, либо заменой датчиков и согласующих усилителей (при изменении вида входных и выходных сигналов).

Анализ характеристик элементов электромеханических систем регулирования, проведенный в разделе 1, позволяет считать, что определение частотных характеристик оказывается наиболее сложным для элементов типа электромагнитов, работающих в электромеханических системах регулирования в качестве аналогового исполнительного органа. Такими элементами являются, например, электромагнитные подшипники или электромагниты транспорта на электромагнитной подушке. Эти элементы обладают рядом особенностей, практически не встречающихся в совокупности в других группах элементов:

• проходные характеристики электромагнитов описываются полными уравнениями четырехполюсника [21];

• типичные значения постоянных времени таких электромагнитов находятся в пределах от единиц секунд до десятков миллисекунд, то есть для определения частотных характеристик может потребоваться как прямое измерение, так и расчет по экспериментальной проходной характеристике;

• типичные величины усилий, развиваемых такими электромагнитами, находятся в пределах от десятков до десятков тысяч ньютонов, а соответствующие значения токов электромагнитов - от десятков миллиампер до десятков ампер. Это приводит к необходимости применения датчиков, рассчитанных на различные диапазоны измерения как для согласования входных, так и выходных сигналов электромагнита со входами измерительной системы;

• проходная характеристика (ток-усилие) является существенно нелинейной (квадратичная с зоной насыщения), что может потребовать определения дифференциальных характеристик;

• электромагнит (в совокупности с якорем) обладает внутренней положительной обратной связью по положению (т.е. отрицательной жесткостью), ухудшающей устойчивость системы, в которой он работает и затрудняющей измерение соответствующих характеристик.

  • Разработка принципов схемотехнической реализации измерений

С учетом перечисленных выше особенностей, система измерений частотных характеристик электромагнитов представлена на рис.3.1 для случая испытания упорного электромагнитного подшипника [18].

Испытуемый электромагнит состоит из собственно электромагнита 1, установленного на жестком фундаменте и якоря 2 (ротора), установленного на тот же фундамент через упругий элемент 3 и датчики усилий 4. На якоре установлены акселерометры 5 для измерения совместно с интегрирующими усилителями, входящими в состав устройства

Рис 3.1 схема испытательной установки

измерения частотных характеристик, перемещения якоря. Для устранения ошибок из-за возможной несимметрии или несоосности установки ротора и статора, используются группы из трех датчиков силы и трех акселерометров, сигналы которых суммируются в каждой из групп. Применение пьезоэлектрических датчиков и усилителей заряда позволяют суммировать сигналы датчиков непосредственным соединением их выходных цепей.

Для измерения усилий используются датчики типа 8001 или 8002 фирмы В&К или серии 9250 фирмы Kistler в сочетании со вторичными преобразователями типа 2635 фирмы В&К. Это позволяет осуществить надежное измерение усилий от единиц Ньютонов до десятков тысяч ньютонов [1,10,51,52].

Измерение перемещений якоря производится акселерометрами пьезоэлектрического типа 4370, 4371 фирмы В&К с теми же типами вторичных преобразователей, позволяющих производить однократное или двукратное интегрирование сигнала ускорения для получения сигналов скорости и перемещения. Такое построение системы измерений позволяет производить надежное измерение перемещений и скоростей в диапазоне 0,2...2000 Гц.

Применение пьезоэлектрических датчиков указанных типов для измерения усилия и перемещений обуславливается двумя особенностями. Во-первых, такие датчики могут применяться с одними и теми же усилителями-преобразователями, которые имеют к тому же внутренние схемы интегрирования для преобразования сигналов. Во-вторых, датчики, например, фирмы В&К, и соответствующие усилители-преобразователи имеют очень точную калибровку в рабочем диапазоне частот, что позволяет в большинстве случаев их использование в измерительных системах без дополнительной калибровки. Благодаря этим особенностям эти датчики в настоящее время являются как бы неофициальным промышленным стандартом для виброметрических измерений. В качестве другого такого же стандарта можно назвать серию токовихревых датчиков фирмы Bentley-Nevada. Однако эти датчики и многочисленные их видоизменения обладают одним существенным недостатком, а именно они оказываются чувствительными к первоначальной установке зазора между датчиком и измеряемой поверхностью. Несмотря на частичное устранение этого недостатка в современных системах таких датчиков, при их применении требуется их первоначальная калибровка. Кроме того, эти датчики оказываются чувствительными к материалу поверхности, по которой производится измерение. Различные типы контактных датчиков (реостатные, индуктивно-трансформаторные с подвижным штоком) как правило, плохо работают на частотах порядка сотен герц и выше.

Питание обмотки электромагнита производится через усилители (серии 2700 фирмы В&К, LV50 фирмы RFT или соответствующим усилителем постоянного тока любого другого типа. Для согласования сигнала тока электромагнита со входом измерительного устройства используются датчики тока, из которых наиболее подходящими являются датчики серии HY фирмы LEM, имеющие номинальные значения токов в пределах 5...25 А и выходной сигнал напряжения, пропорциональный току с номинальным значением 4 В. При измерениях параметров маломощных электромеханических элементов для тех же целей возможно также применение шунтов. Однако в случае испытания достаточно мощных электромагнитов (на десятки ампер с питанием от ШИМ усилителей) применение гальванически развязанных датчиков тока является необходимым.

Согласование значений входного напряжения электромагнита со входом измерительного блока осуществляется с помощью делителя напряжения.

Такое построение системы позволяет производить одновременные измерения и запись в память как двух входных (ток и напряжение), так и двух выходных (усилие, перемещение) сигналов испытуемого электромагнита. Это дает возможность выбрать любую тройку сигналов для построения матрицы передаточной функции электромагнита.

Измерение входного сигнала испытуемого элемента (вместо прямого его задания) необходимо, поскольку применяемые для питания электромагнита усилители мощности указанных выше типов (как и большинство других), не имеют калиброванных коэффициентов усиления, что не дает возможности точно задать величину входного сигнала электромагнита.

Следует отметить, что при измерении по схеме рис.3.1 а будет определяться передаточная функция электромагнита, нагруженного на жесткость упругого элемента, на котором установлен ротор и жесткость датчиков усилия. Однако, для датчиков пьезоэлектрического типа жесткость существенно выше, чем для датчиков усилия других типов. При этом выбором жесткости упругого элемента для испытуемого электромагнита может быть создан режим, соответствующий “холостому ходу” четырехполюсника (перемещение Z=0) или режим “короткого замыкания” (усилие F=0).

Пример использования системы для тарировки и проверки датчиков ускорения и усилия приведены на рис.3.1б [51,52].

При тарировке датчиков ускорения проверяемый датчик устанавливается на столе электродинамического возбудителя (ЭДВ) в непосредственной близости с образцовым датчиком. Возбуждение ЭДВ производится от измерительной системы через соответствующий усилитель. Микропроцессорный блок измерительной части устройства осуществляет сравнение сигналов образцового и проверяемого (рабочего) датчика и вычисляет параметры градуировочной кривой рабочего датчика

где

и - амплитуды сигналов рабочего и образцового датчика соответственно. Фазовая погрешность ф рабочего датчика определяется аналогично.

При тарировке датчиков усилия рабочий датчик устанавливается и возбуждается также, как и в предыдущем случае, но с нагружением дополнительной массой т. Измерительное устройство считывает сигналы ускорения с образцового датчика ускорения и сигнал усилия с рабочего датчика усилия и вычисляет градуировочную кривую рабочего датчика

где

- сигнал рабочего датчика усилия;

- сигнал образцового датчика ускорения