Практикум по техническим средствам автоматики

Выпуск 1

Для направления 35.03.06 Агроинженерия

Уровень высшего образования – бакалавриат

Челябинск

Настоящий практикум по изучению дисциплины «Автоматика» составлен в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования, утвержденного Приказом Министерства образования и науки Российской Федерации 20.10.2015 г. № 1172. Практикум предназначен для подготовки бакалавра по направлению 35.03.06 Агроинженерия.

Составители:

Попова С.А. – кандидат технических наук, доцент (ИАИ ЮУрГАУ)

Рычкова Н.М. – ст. преподаватель (ИАИ ЮУрГАУ)

СОДЕРЖАНИЕ

	Первичные измерительные преобразователи (ПИП)……….. 1.1 Контрольные вопросы по теме
	Исследования сельсинов в различных режимах работы……. 2.1 Контрольные вопросы по теме
	Изучение электромагнитных реле 3.1 Контрольные вопросы по теме
	Изучение работы системы автоматической стабилизации напряжения у автомобильного генератора………………….. 4.1 Контрольные вопросы по теме
	Экспериментальное определение передаточной функции объекта управления……………………………………………. 5.1 Контрольные вопросы по теме

Лабораторно – практическое занятие №1

ПЕРВИЧНЫЕ измерительные преобразователи (ПИП)

Часть 1 ПИП линейных перемещений

Цель работы: ознакомиться с общими принципами построения ПИП линейных перемещений, конструктивным исполнением отдельных ПИП. Изучить принцип действия потенциометрических и индуктивных датчиков, схему и устройство бесконтактного выключателя. Изучить статические свойства ПИП как элементов автоматического управления.

Общие сведения

Первичным измерительным преобразователем (датчиком) называют устройство, выполняющее функции преобразования измеряемой (управляемой) величины в величину более удобную для дальнейшего использования. ПИП линейных перемещений используют и самостоятельно (например, для измерения уровня жидкости, размеров деталей, перемещения узлов механизма), и как составные элементы многих других, более сложных ПИП. Так, многие ПИП давления, расхода, температуры, влажности и т.п. содержат чувствительные элементы, преобразующие измеряемую величину в перемещение и далее в выходной сигнал.

Измерительные преобразователи, которые изучаются в приведенной работе, преобразуют линейные перемещения в электрический сигнал (напряжение или ток), изменяя параметры электрической цепи, которые связаны известной функциональной зависимостью:

I=Uc/Z ,

(1)

где I - ток в электрической цепи.

Uc - напряжение питания.

Z - полное сопротивление цепи.

Для цепей постоянного тока Z=R, а для цепей переменного тока

,

(2)

где R - активное сопротивление цепи;

С - емкость цепи;

h - индуктивность;

- частота питающего напряжения.

Анализируя выражение 1 и 2 можно сделать вывод, что для получения выходного сигнала J при питании ПИП постоянным током перемещение должно влиять на Uc или R, а при питании переменным можно изменять также h, C и .

Кроме ПИП, преобразующих перемещение в электрический сигнал, на практике применяются и измерительные преобразователи, использующие свойство предметов перекрывать направленные потоки энергии. Нашли применение оптические, радиоактивные, рентгеновские преобразователи, в которых перемещение преобразуется вначале в промежуточную величину, а затем в электрический сигнал.

Потенциометрические (реостатные ) ПИП перемещения.

Потенциометрический измерительный преобразователь состоит из каркаса с намотанным на него проводом и подвижной токосъемной щетки (скользящего контакта). Провод, применяемый для намотки, должен иметь высокое удельное сопротивление, мало зависящее от температуры. Обычно применяют константановые, манганиновые, фехралевые проволоки; в особо ответственных случаях – провод из сплавов на основе платины. Для изготовления каркасов применяют керамические материалы, пластмассы, алюминиевые сплавы, покрытые защитным лаком. Токосъемная щетка выполняется из упругой проволоки или в виде ролика.

Простейшая схема включения потенциометрического ПИП приведена на рисунке 1.

Рисунок1 – Нереверсивная схема включения потенциометрического

ПИП (а) и его характеристика (б)

При непрерывной намотке проволоки напряжение питания Uc распределяется равномерно по длине потенциометра, поэтому без нагрузки (сопротивление нагрузки ) потенциал щетки пропорционален перемещению

(3)

где l -длина потенциометра;

х - перемещение скользящего контакта.

При включенной нагрузке выходное напряжение не пропорционально перемещению щетки, так как часть потенциометра шунтируется нагрузкой, и ток в этой части меньше, чем в той части потенциометра, которая находится до подвижного контакта.

В этом случае

(4)

Из выражения (4) видно, что зависимость выходного напряжения от измеряемой величины тем ближе к линейной, чем меньше отношение сопротивления потенциометра Ro к сопротивлению нагрузки. Зависимость близка к линейной, если Rн > 10Ro.

При несоблюдении этого условия будет сказываться шунтирующее действие нагрузки и статическая характеристика схемы будет иметь вид кривой 2 (рис.1-б).

При активной нагрузке потенциометр практически безинерционен. При значительной емкости или индуктивности нагрузки в схеме будут иметь место переходные прцессы.

Схема, приведенная на рис.1, является нереверсивной, т.к. при любом положении ползунка знак выходного напряжения или его фаза не изменяется.

Различные варианты реверсивных схем включения потенциометров представлены на рисунке 2. В этих схемах измеряемое перемещение может быть положительным или отрицательным и в соответствии с этим меняется знак или фаза выходного напряжения.

Рисунок 2 – Реверсивные схемы включения потенциометров:

а) потенциометр со средней точкой; б) мостовая схема с двумя

потенциометрами

В первом ПИП на рисунке 2а выходное напряжение снимается с движка и средней точки потенциометра, которая принимается за начало отсчета перемещения движка. При прохождении движком средней точки меняется знак выходного напряжения, если ПИП питается постоянным током, и на 180° меняется фаза напряжения, если потенциометр питается переменным током.

У второго ПИП (рисунок 2б) напряжение снимается с двух движков, перемещающихся симметрично относительно средних точек двух потенциометров. Очевидно, что при одинаковом перемещении Х выходное напряжение у второго датчика в два раза больше, чем у первого.

Основным недостатком потенциометрических ПИП является наличие скользящего контакта, снижающего надежность работы, поэтому срок службы при замере высокочастотных перемещений невелик. Контактную поверхность трудно изолировать от внешней среды. Достоинства потенциометров заключаются в конструктивной простоте и возможности применения источников питания переменного и постоянного тока.

Индуктивные измерительные преобразователи.

Работа индуктивных ПИП основана на изменении индуктивного сопротивления катушки со стальным стержнем при передвижении подвижного якоря или при перемещении стального сердечника внутри катушки. В простейшей нереверсивной схеме (рисунок 3) обмотка дросселя подключается последовательно с сопротивлением нагрузки к источнику переменного тока. При изменении величины воздушного зазора или при перемещении сердечника изменяется индуктивное сопротивление дросселя. В результате будет изменяться ток в цепи и, соответственно, падение напряжения на нагрузке.

Простейший индуктивный ПИП имеет характеристику близкую к линейной. Отклонения от линейной зависимости на начальном и конечном участках характеристики вызваны тем, что дроссель не может иметь сопротивление равное нулю или бесконечности при любых перемещениях сердечника или якоря.

Рисунок 3 – Схема простейшего индуктивного ПИП (а)

и его характеристика (б)

Недостатки простейшего индуктивного ПИП вызваны большими усилиями при перемещениях якоря (ПИП – электромагнит), сильным влиянием напряжения и частоты источника питания, температуры и других факторов.

Широкое применение находят ПИП, выполненные по дифференциально – трансформаторной и мостовой схемам.

Рисунок 4 – Схема реверсивного индуктивного ПИП (а)

и его характеристика (б)

Дифференциальный индуктивный ПИП (рисунок 4) конструктивно выполнен в виде соленоида. На изоляционный каркас намотано три катушки, первичные L1, L2, вторичная L3, в катушках перемещается ферромагнитный сердечник, который соединяется с рабочими механизмами. Обмотки L1 и L2 включены встречно. Через них пропускается переменный ток, с обмотки L3 получают сигнал. За начало отсчета при перемещении принимается среднее положение сердечника. В нулевом положении сердечника схема будет уравновешена и напряжение на нагрузке Uвых будет также равно нулю. При небольших отклонениях сердечника выходное напряжение будет возрастать практически линейно, причем с изменением знака перемещения (переход якоря через нулевое положение в противоположную сторону) фаза выходного сигнала зменяется на 180°. Балансировка нуля в реверсивных схемах индуктивных ПИП затруднена тем, что здесь необходимо добиться одновременного равенства не только реактивных, но также и активных параметров обеих частей схемы. Для дифференциальных фазочувствительных схем с выпрямителями характерны высокая увствительность, ослабление влияния колебания питающего напряжения, применимость со вторичными приборами постоянного тока.

В автоматических системах, управляющих перемещением объектов, применяются контактные и бесконтактные путевые ыключатели. Щелевые бесконтактные путевые выключатели (БПВ) имеют два ферритовых сердечника с расположенными на них обмотками. Сердечники и все остальные элементы схемы (кроме реле) размещаются в небольшом капроновом корпусе и герметизируются. На одном сердечнике расположена контурная обмотка и обмотка положительной обратной связи Lпс, а на другом сердечнике обмотка отрицательной обратной связи Lос. Обмотки обратной связи включены последовательно и навстречу друг другу. Электронная схема БПВ (рис.5) представляет собой автогенератор, у которого самовозбуждаются колебания в контуре Lк-С 3.

Чтобы эти колебания не затухали, нужно, чтобы в такт им открывался и закрывался транзистор. Обмотка Lпс способствует этому, а обмотка Lос, включенная навстречу, препятствует. Если в зазор между сердечниками попадает алюминиевых экран, то связь между обмотками Lк и Lос ослабевает, генератор самовозбуждается, открывается транзистор VT1, вызывая срабатывание реле КV

Если в зазоре экрана нет, усиливается влияние обмотки отрицательной обратной связи Lос, генерация колебаний прекращается и закрывается транзистор. Погрешность срабатывания щелевых бесконтактных выключателей на одном транзисторе составляет около 1 мм.

Многоэлементные БПВ имеют точность в десять раз больше.

Контрольные вопросы:

1) Определить значения выходного напряжения для приведенных ниже рисунков

2) Что такое ПИП, и какие бывают разновидности их по принципу действаия?

3) Для каких целей снимают характеристики всех ПИП?

4) Укажите по рисункам 1-4, где входная величина, а где выходная?

5) Какой из ПИП приведенных на рисунке « надежнее и почему?

6) Какое напряжение можно измерить на выходе ПИП на рисунке 4, если сердечник размещен симметрично и почему?

7) Какую часть характеристики следует учитывать при выборе ПИП на рисунках 3 и 4 и почему?

8) Как будет выглядеть характеристика на рисунке 4, если полностью вынуть сердечник из ПИП?

9) Почему с увеличением входной величины на рисунке 3 увеличивается выходная величина?

Часть 2 ПИП температуры

Общие сведения.

В качестве измерительных преобразователей температуры применяют такие элементы, которые существенно изменяют свои свойства в зависимости от температуры. В терморезисторах используются свойства металлов и полупроводников изменять при нагревании и охлаждении электрическое сопротивление.

Термосопротивление платиновое (обозначается ТСП) имеет в качестве чувствительного элемента тонкую платиновую проволоку, медное термосопротивление (обозначают ТСМ) - проволоку из электролитической меди.

В металлах при повышении температуры увеличивается хаотическое движение электронов, они чаще сталкиваются с ионами, направленное движения электронов затрудняется и вследствие этого, электрическое сопротивление возрастает.

Зависимость сопротивления проводника от температуры определяется по формуле:

(1)

где С – коэффициент, зависящий от материала проводника;

Т – абсолютная температура, °К;

– температурный коэффициент;

е – основание натуральных логарифмов.

Температурный коэффициент характеризует чувствительность терморезистора к измерению температуры. Для металлических термосопротивлений температурный коэффициент положительный.

Достоинства металлических термосопротивлений: высокая точность измерений, стабильность характеристик. Недостаток: температурный коэффициент мал, поэтому в схемах измерения необходимо использовать электронные усилители.

Характеристики полупроводниковых термосопротивлений в отличие от металлических зависят от большого числа факторов: химического состава полупроводника, диапазона температур, приложенного напряжения и т.д. Наиболее распространены в качестве измерительных преобразователей температуры термисторы - термосопротивления с отрицательным температурным коэффициентом. При нагревании термистора в нем увеличивается количество свободных электронов и резко возрастает электропроводность. Для определения сопротивления термистора в диапазоне допустимых токов и температур можно использовать выражение (1), но температурный коэффициент aт в этом случае будет отрицательным, а по величине в 6...10 раз больше, чем у металлических термосопротивлений.

Термисторы имеют небольшие габариты и стоимость, широкий диапазон номинальных сопротивлений, большой срок службы. Благодаря высокой чувствительности, могут применяться в безусилительных схемах, например, для измерения температуры двигателей. Недостатки термисторов: нелинейность температурных характеристик, большой разброс параметров, что ограничивает их взаимозаменяемость.

В зависимости от материала полупроводниковые терморезисторы делятся на медно-марганцевые (ММТ) и кобальто-марганцевые (КМТ) .

Использовать в качестве измерительных преобразователей температуры можно не только серийные термосопротивления, но и транзисторы и диоды. Известно, что у них при увеличении температуры значительно снижается сопротивление p-n - перехода. Германиевые элементы чаще используются для этих целей, так как их температурная чувствительность в 2...4 раза выше, чем кремниевых.

Если при измерении температуры не требуется высокая точность, то применяются устройства с механическими измерительными преобразователями.

В датчике температуры камерном биметаллическом (ДТКБ) в качестве измерительного устройства применяется биметаллическая пластинка, которая при нагревании или охлаждении изменяет свои размеры. Если температура становится ниже установленного задатчиком значения, то замыкаются контакты и включается нагревательный элемент или сигнальное устройство.

Аналогично работает устройство с гидравлическим преобразователем. При увеличении температуры возрастает давление жидкости в закрытом объеме. Камера, имеющая форму спирали или гармошки изменяет свои размеры и включает контактное устройство.