потенціометричні датчики

Ці датчики використовуються в автоматиці для перетворення переміщень в електричну напругу і вдають із себе реостати з повзунком, що включаються за схемами, відповідним потенциометрическом методу вимірювань. У електроавтоматики використовуються нереверсивна (рис. 1.2) і реверсивна (рис.1.3) схеми включення потенціометрів.

Рис.1.2. Нереверсивна схема включення

Перехідні процеси в даній схемі матимуть місце лише при значній ємності або індуктивності навантаження.

Мал. 1.3. Реверсивна схема включення потенціометра

На рис. 1.3 показана реверсивна схема з другим (постійним) контактом з витками потенціометра. Ця схема дає лінійну статичну характеристику, малозавісящіе від величини навантаження, і дозволяє забезпечити більш високий к.к.д. Переваги такої схеми полягають в конструктивній простоті, в невеликих габаритах і вазі датчика, а також в можливості харчування схеми як постійним, так і змінним струмом. У разі живлення змінним струмом переміщенню пропорційна величина обвідної U вих. а зміна знака переміщення, тобто знака відхилення положення повзунка щодо його нульового положення супроводжується зміною фази U вих на 180 # 730; (Рис. 3.1).

Побудуємо статичну характеристику U вих = f (xвх) для даної схеми. Вважаємо, що потенціометр є лінійним, тобто його витки мають однакову довжину. При xвх = (xвх) max = L / 2 і за умови Rн >> r0 отримаємо:

Ця залежність представляє з себе пряму, проведену з початку координат під кутом # 946; = Arctg (U / L).

Отриманий вираз для статичної характеристики дає точні результати вже при Rн> (8 ... 10) r0.

В процесі експлуатації датчиків можливий нагрів їх контактних поверхонь. Бажано, щоб температура не перевищувала 200 # 730; С, так як при високих температурах починається інтенсивне окислення конструкційних матеріалів.

У датчиках бажано використовувати дріт меншого діаметру. Це необхідно як для зниження рівня "шумів" в САУ, так і для зменшення розмірів датчика.

Ці датчики відносяться до перетворювачів параметричного типу. Принцип їх дії заснований на зміні ємності конденсатора при впливі вхідної величини. Основними параметрами і характеристиками ємнісних датчиків є:

- початкова ємність С0;

- реактивне xc = 1 / # 969; C і активне Rc опору;

- тангенс кута діелектричних втрат tg # 948 ;;

- постійна часу T = Rc # 8729; C0;

- максимальна зміна ємності, чутливість, статична і динамічна характеристики.

Для плоских конденсаторів величина ємності залежить від площі електродів (S), відстані між ними (d) і діелектричної проникності середовища (# 949;). Ємнісні датчики випускаються трьох типів зі статичними характеристиками, зображеними на рис. 1.4:

# 8710; C = # 966; (S), # 8710; C = # 966; (d) і # 8710; C = # 966; (# 949;). (1.3)

Такі датчики застосовують для перетворення лінійних і кутових переміщень.

Мал. 1.4. Датчики зі змінною площею електродів

Для плоского конденсатора (рис. 1.4, а):

# 8710; C = # 949; # 8729; b # 8729; # 8710; l / d, (1.4)

де b - ширина електрода.

Для циліндричного конденсатора (рис. 1.4, б):

Ємність датчиків поворотного типу (рис. 1.4, в) лінійно залежить від кута повороту # 966 ;:

C = # 949; # 903; S (1 - # 966; / Π) / d. (1.6)

Ємнісні датчики із змінним зазором (d) (рис. 1.5) в загальному випадку мають нелінійну статичну характеристику C = # 966; (# 8710; d).

Мал. 1.5. Датчик із змінним відстанню між електродами

При малих переміщеннях (# 8710; d <

C = # 949; # 903; S # 903; # 8710; d / d². (1.7)

а статична характеристика буде лінійною. Датчики такого типу мають велику чутливість і використовуються для контролю дуже малих переміщень (від 0 до 1 мм). Датчики зі змінною площею електродів застосовуються для вимірювання переміщень великих 1 мм.

Ємнісні датчики зі змінною діелектричною проникністю (рис. 1.6, а і б) застосовують для контролю рівня, складу і концентрації рідких, а також товщини і вологості твердих діелектриків.

Мал. 1.6. Датчики зі змінною діелектричною проникністю

Датчик для вимірювання рівня рідини (рис. 1.6, а) являє собою складний конденсатор, загальна ємність якого дорівнює ємності 2-х паралельно включених конденсаторів:

Ємність такого конденсатора лінійно залежить від h2. за величиною якої і контролюють рівень рідини.

Конденсатор з 2 - шаровим діелектриком (рис. 1.6, б) являє собою два послідовно включених конденсатора, еквівалентна ємність яких:

Великі відхилення ємності перевіряються досить просто. Для вимірювання малих відхилень ємності датчики включають в резонансні, мостові і т.д. схеми. Для збільшення чутливості ємнісних датчиків використовують джерела живлення високої (понад 400 Гц) частоти.

Однією зі схем включення ємнісних датчиків (диференціальних ємнісних перетворювачів) є ємнісне - діодний ланцюг (рис. 1.7).

Мал. 1.7. Ємнісне - діодний ланцюг

При позитивній полярності U конденсатор С1 заряджається через С3 і VD1. а при негативній - розряджається через С4 і VD2. Конденсатори С3 і С4 мають рівні ємності, а діоди VD1 і VD2 - рівні прямі опору. Якщо все діоди мають однакові прямі опору, то при С1 = С2 напруга між точками c і d відсутня. Якщо ж С1 ≠ С2. то між точками c і d з'явиться змінна напруга пропорційне різниці С1 - С2. Ця напруга випрямляється протягом одного напівперіоду діодами VD1 і VD3. а протягом другого - діодами VD2 і VD4. Вихідна напруга знімається з діодів VD3 і VD4. Середнє випрямлена напруга U вих визначається різницею С1 - С2 і приблизно дорівнює:

Перевагою ємнісних датчиків є простота конструкції, висока чутливість, мала інерційність, невеликі габарити і маса.

Принцип роботи цих датчиків заснований на зміні індуктивності котушки з магнітопроводом під впливом різних факторів. Датчики застосовуються при перетворенні лінійних і кутових переміщень, при контролі зміни тиску, витрат рідин і газів. Індуктивність L котушки з магнітопроводом при наявності повітряного зазору # 948; дорівнює:

де w - число витків котушки;

lм - середня довжина сталевого магнітопровода;

# 948; - довжина повітряного зазору;

S м - площа поперечного перерізу сталевого магнітопровода;

S # 948; - площа поперечного перерізу повітряного зазору;

Згідно з цим співвідношенням індуктивні датчики можна побудувати на використанні зміни величин зазору і його площі або магнітної проникності (магнитоупругие датчики).

Найпростіший індуктивний датчик лінійного переміщення із змінною величиною повітряного зазору # 948; представлений на рис. 1.8.

Мал. 1.8. Датчик зі змінною величиною повітряного зазору

У цьому датчику зміни величини повітряного зазору # 948; призводить до зміни індуктивності котушки L. Магнітне опір ланцюга визначається опорами Rм.ст. двох повітряних зазорів R # 948 ;. тобто Rм = Rм.ст. + R # 948 ;. де

Rм.ст. = Lм / # 956; S м - магнітний опір магнітопроводу;

R # 948; = 2 # 948; / # 956; 0 S # 948; - магнітний опір повітряного зазору.

тобто індуктивність котушки обернено пропорційна величині повітряного зазору. Якщо прийняти Rк і хк = # 969; # 903; L - активне і індуктивний опір котушки, а Rн і xн - активне і індуктивний опір навантаження.

Зазвичай хк >> Rк. а опір навантаження мало в порівнянні з опором котушки, звідки напруга на виході датчика:

При прийнятих припущеннях статична характеристика U вих = # 966; (# 948;) індуктивного датчика буде лінійною. відхилення # 958; характеристики від лінійного закону можливі при малих # 948; (Вплив опору Rм.ст.) і при великих # 948; (Зростають потоки розсіювання).

Індуктивні датчики зі змінною величиною повітряного зазору застосовують для вимірювання переміщень порядку 0 ... 1 мм, для вимірювання переміщень 5. 8 мм застосовують індуктивні датчики зі змінною площею, а для вимірювання переміщень до 50 мм - індуктивні датчики плужерного типу. Всі ці датчики є слабочувствітельнимі при малих переміщеннях і однотактним, тобто Нереагуючі на зміни знака вхідної величини.

Зазначені недоліки відсутні у двотактних (реверсивних) індуктивних датчиків, зазвичай включаються по диференціальної або бруківці схемами (рис. 1.9).

Мал. 1.9. Двотактний індуктивний датчик

Зображений диференційний індуктивний датчик (ДІД) при середньому положенні якоря (# 948; '= # 948; '') забезпечує однакову індуктивність котушок, що дає рівність струму в котушках (I1 = I2) і рівність нулю вихідної напруги:

Переміщення якоря в будь-яку зі сторін відповідним чином змінює індуктивність котушок, призводить до нерівності струму в котушках і до появи напруги на виході.

Диференційно - трансформаторні датчики застосовують для вимірювання малих переміщень. Індуктивні датчики є безінерційні елементами автоматики за умови, що частота вхідного сигналу змінюється в багато разів повільніше в порівнянні з частотою джерела живлення.