Датчики на основе измерительных преобразователей

Положения

На основе измерительных преобразователей положения (ИПП) реализуют датчики различных физических величин: давления, уровня, температуры и др. в соответствии со схемой рис. 9.1. В качестве измерительного преобразователя ИП2 в них применяется тот или иной ИПП из числа преобразователей, рассмотренных выше. Первичный измерительный преобразователь ИП1 может быть изготовлен для конкретного объекта с целью контроля его определенного параметра. В специализированной конструкции ИП1 в качестве чувствительного элемента может использоваться мембрана, преобразующая давление в перемещение своего центра; сильфон, изменяющий под давлением свою длину; поплавок, перемещаемый уровнем жидкости; биметаллическая пластина, деформирующаяся при изменении температуры и т. д.

В следящих и позиционных электроприводах помимо таких датчиков применяют измерители рассогласования, предназначенные для непрерывной оценки разности между входным задающим воздействием и фактическим уровнем переменной на выходе, которая должна следовать за изменением величины входного воздействия. Такие измерители рассогласования называют также датчиками рассогласования. На выходе они формируют электрический сигнал ΔU=c(α_з-α_о), пропорциональный разности углов α_з поворота задающего органа, например, рукоятки управления, и α_о его отработки электроприводом.

Первоначально для датчиков рассогласования использовались резистивные измерительные преобразователи (малый срок службы). В настоящее время применяются сельсины (см. п. 9.3) и вращающиеся трансформаторы (см. п. 9.4), работающие в трансформаторном режиме. Ротор сельсина-приемника обычно соединяют с задающим органом, ротор сельсина-датчика – с исполнительным органом электропривода (в этом случае положение ротора сельсина-приемника не фиксируется). Таким же образом реализуют датчик рассогласования на вращающихся трансформаторах. Одноименные синусные и косинусные обмотки двух вращающихся трансформаторов соединяют между собой. Выходной сигнал снимается с обмотки возбуждения одного из трансформаторов. У второго трансформатора обмотка возбуждения получает питание по цепи переменного тока.

Для синтеза датчика рассогласования с цифровым выходом может быть использована сельсинная система с дифференциальным сельсином, работающая в индикаторном режиме (см. рис. 9.11а), и дисковый кодовый преобразователь (рис. 9.6), соединяемый с ротором дифференциального сельсина. Расположение окон на дорожках кодового диска должно быть симметричным относительно диаметра диска, чтобы определить не только величину, но и знак угла рассогласования. Для получения кода знака рассогласования предусматривается дополнительная дорожка на диске и канал формирования логической переменной на выходе датчика.

Сельсины

Сельсин-датчик

Сельсин – набольшая электрическая машина, которую применяют в качестве датчика угла поворота (индукционный электромашинный датчик).

В сельсине есть две обмотки: однофазная (обмотка возбуждения) и трехфазная (обмотка синхронизации). У сельсинов малой мощности трехфазная обмотка синхронизации обычно располагается в пазах статора, а обмотка возбуждения на роторе. Обмотка возбуждения подключается в электрической цепи переменного тока через контактные кольца. В сельсинах большой мощности на роторе располагается трехфазная синхронизирующая обмотка, обмотка возбуждения на статоре.

Применяются также бесконтактные сельсины. Конструктивно они выполняются одним из следующих способов. При первом способе кольцевая обмотка возбуждения располагается на статоре и, благодаря специальной конструкции магнитопровода ротора, создает в роторе магнитный поток, поворачивающийся вместе с ротором. Трехфазная обмотка синхронизации расположена также на статоре. При втором способе обмотка ротора получает питание от вращающейся совместно с ротором вторичной обмотки кольцевого трансформатора возбуждения, первичная обмотка которого расположена на статоре. Трехфазная обмотка синхронизации находится также на статоре.

На рис. 9.8а, рис. 9.8б изображены функциональные схемы сельсина, у которого трехфазная обмотка синхронизации 1 (А, В, С) размещена на статоре.

еАВ φ

αm α'

ВС

n

α

~UB

С А В

eAB

а)

б)

Рис. 9.8. Функциональная схема сельсина-датчика (а), его обозначение на электрической схеме (б), входы и выхода при работе в амлитудном (а) и фазовом (б) режимах

г)

в)

α'

СДА

φ

α

СДФ

Обмотка возбуждения 2 расположена на роторе. Если она получает питание от однофазной сети ~U_B через кольца и щетки 3, то магнитный поток, действующий по осевой линии обмотки возбуждения 2, наводит соответствующие ЭДС в фазных обмотках статора:

eA = kT UBm cosαsinωt , eB = kT UBm cos(α-2π/3)sinωt , eC = kT UBm cos(α+2π/3)sinωt ,

(9.1)

где k_T - коэффициент трансформации между фазной статорной и роторной обмотками при их соосном расположении, ω - частота напряжения возбуждения (за начало отсчета угла α поворота ротора принята осевая линия обмотки А статора).

Линейная ЭДС:

(9,2)

Таким образом, фазовые ЭДС е_А,е_В, е_С сельсина и линейная ЭДС, например, е_АВ, зависят в соответствии с (9.1) и (9.2) от угла α поворота ротора. Поэтому сельсин может быть использован в качестве датчика угла.