Определение потенциалов функциональных узлов

3.1. Цель работы.

3.1.1. Изучить принцип действия и характеристики датчиков

углов, датчиков температуры и фотодатчиков.

3.2. Основные теоретические сведения.

Для измерения линейных и угловых перемещений на постоянном и

переменном токе получили применение потенциометрические датчики.

Их основное достоинство - простота и отсутствие необходимости

последующего усиления, если они применяются для измерения. Основные недостатки - наличие скользящего контакта.

Входной сигнал (перемещение) задается с помощью контактной

щетки, которая может перемещаться по потенциометру. Выходной сигнал снимается с движка потенциометра и одной из общих точек потенциометра (рис. 3.1.).

Рис. 3.1.

При R_Н = ¥ (цепь разомкнута):

U0

Ux = ----- X = К Х.

L

При R_Н¹ ¥ напряжение, снимаемое щеткой, уже не будет равно Ux. Полное сопротивление цепи равно R:

Rн Rх

R = Ro - Rx + -------- ;

Rн + Rx

X

Rx = Ro - ----- ;

L

I = Uo/R, а падение напряжения на нешунтируемой части по-
тенциометра равно:

U = I(Ro - Rx).

Uo Rx

Uвых = Uo – (Ro – Rx) = ----------------------- или

Rx Ro R²x

Ro + ------- - ------

Rн Rн

Ro X

подставив Rx = ------ получим:

L

Uo X

Uвых = ----------------------;

Ro X Ro X²

L + ------ - -------

Rн L Rн

Т.е. практически зависимость выходного сигнала потенциометра Uвых от входного сигнала "X" в общем случае нелинейная. Но при Rн = (10...100)Rо потенциометр можно считать линейным элементом и использовать зависимость:

Uo

Uвых = К *Х = ------ Х;

L

Статическая характеристика потенциометрического датчика имеет вид (Рис. 3.2.).

Рис. 3.2.

В системах автоматики широкое применение находят полупроводниковые фотодатчики, использующие внутренний фотоэффект, для контроля количества деталей на конвейере, для контроля освещенности и т. д. Достоинствами Фотодатчиков являются их простота, малые габариты, высокая чувствительность, отсутствие механической связи с измеряемым процессом и малая инерционность. Основным недостатком является малая величина Фототока.

Величина фототока фотоэлемента равна:

Sф

Iф = ------------- Ф;

Rн

(1 + -----)²

Rф

Где Rф – сопротивление фотоэлемента;

Sф = dIф/dФ – интегральная чувствительность фотоэлемента;

Для измерения температуры в автоматике применяются термометры сопротивления. Принцип действия этих термометров основан на свойстве проводников менять свое сопротивление R при изменении температуры. Зная сопротивление проводника при начальной температуре to.

Ro = Се^{at t0}

можно определить сопротивление этого проводника при произвольной температуре t

Rt = Се^{at t}

из соотношения:

Rt

----- = e^{at(t - t0)}

R0

Разлагая правую часть этого выражения в ряд, получим зависимость, используемую в термометрах сопротивления.

Rt = Ro (l + a_t(t - to)).

Величина a_t для диапазона температур 275 - 475°К может быть принята для меди равной 0,00428 1/°К. В этом диапазоне работают медные и никелевые датчики термометров сопротивления.

Основные погрешности термометров сопротивления возникают вследствие непостоянства напряжения питания и температуры окружающей среды и тепловой инерционности термодатчика.

В настоящее время в качестве термодатчиков широко применяют полупроводниковые терморезисторы или термисторы – полупроводниковые резисторы нелинейной вольт-амперной характеристикой, основное свойство которых заключается в способности значительно изменять свое сопротивление при изменении температуры.

Различают термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (сопротивление при нагревании увеличивается) и с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) (сопротивление при нагревании увеличивается).

Сопротивление термистора с отрицательны ТКС изменяется по экспоненциальному закону в соответствии с выражением:

Rt = A exp(B/T),

Где А – постоянная для данного сопротивления,

В – коэффициент температурной чувствительности,

Т – температура в градусах Кельвина.

Для резисторов с положительным ТКС:

Rt = A exp(at),

Где а – ТКС при температуре t°C.