Всего на сайте:
303 тыс. 117 статей

Главная | Электроника

Теоретические сведения  Просмотрен 216

Датчиком называется первичный элемент автоматической системы, реагирующей на изменение физической величины, которая характеризует процесс, и преобразующий эту величину в форму, удобную для использования последующими элементами системы. Датчики, в которых неэлектрические величины преобразуются в электрические, подразделения на параметрические (например, термометр сопротивления) и генераторные (например, термопары).

Термометры сопротивления получили широкое распространение для измерения температур различных сред в пределах от - 200 до + 650° С. Метод измерения такими термометрами основан на свойстве некоторых материалов менять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Ста­тическая характеристика термометра сопротивления от температуры для ме­таллов и выражается формулой (3.1).

RT =R0[l + α(t-t0)] ( 3.1)

где R0 – сопротивления при нормальных условиях (t0=20° С);

а – температурный коэффициент сопротивления;

t – измеряемая температура.

Величина R0 характеризует наклон статической характеристики датчика к оси абсцисс и, следовательно, определяет коэффициент усиления датчика. Статическая характеристика таких датчиков является линейной. Чувствительные элементы промышленных термометров сопротивления обычно изготовляют из платины или меди.

Конструкция термометров сопротивления показана на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 – Термометров сопротивления:

1 – колпачок (элемент герметизации); 2 – штуцер (элемент герметизации); 3 – защитная арматура (стальная трубка); 4 – чувствительный элемент; 5 – выводная колодка

Чувствительный элемент 4 термометра сопротивления представляет со­бой намотанную на керамический каркас проволоку из металла, температурный коэффициент которого достаточно высок и постоянен во всем диапазоне температур, в котором его предполагается использовать. Обмотка чувствительного элемента изолирована от защитной трубки 3 изоляционной пленкой, а концы её припаяны к выводной колодке.

Термопара. Принцип действия термопары основан на возникновении термо-ЭДС, зависящей от разности температур горячего спая и свободных концов термопары.

Рисунок 3.3 – Термопара:

1 – керамический наконечник; 2 – штуцер; 3 – сальниковые уплотнения; 4 – крышка; 5 – контактные колодки; 6 – водозащитная колодка;
7 – эпоксидный компаунд; 8 – защитная арматура; 9 – керамические изоляторы; 10 – термоэлектроды; 11 – горячий спай.

 

Термоэлектроды 10 по всей длине изолированы друг от друга кера­мическими изоляторами 9. Концы термоэлектродов сварены между собой и образуют горячий спай 11. Свободные концы термоэлектродов подсоединя­ются к контактам колодки 5. Термоэлектроды и контактные зажимы помещены в защитную арматуру 8. Для обеспечения виброустойчивости они засыпаны безводной окисью алюминия и герметизированы эпоксидным компаундом 7.

К контактным зажимам колодки подсоединены компенсационные провода, которые выводятся из головки термометра через сальниковые уплотнения 3 со штуцером 2. Водозащитная головка термометра 6 закрыта крышкой 4. Горячий спай термопары изолирован от защитной арматуры керамическим наконечником 1.

Статические характеристики датчиков определяют зависимость вы­ходной величины Х2 датчика (унифицированный сигнал) от входной (контро­лируемой) X1 при стационарном (установившемся) режиме работы. Для термометров сопротивления эта зависимость имеет вид R = f1(t); для термопар
U = f2(t), где t - температура.

Коэффициент усиления (передачи) какого-либо физического объекта характеризует статическую связь между двумя величинами - входной (X1) и выходной (X2). Этот коэффициент показывает, насколько изменится выходной параметр при подаче на объект единичного входного воздействия. Рассчитывается он по формуле (3.2) и является тангенсом угла наклона статической характеристики

(3.2)

где γ - угол наклона статической характеристики объекта к оси абсцисс (по оси абсцисс откладывается входная величина Х1 по оси ординат выходная X2).

Динамические характеристики автоматической системы и ее элементов представляют собой зависимости изменения выходной величины во времени (Х2=f2(τ)) при известном законе изменения во времени входной величины Х1=f1(τ). Эти характеристики могут быть представлены дифференциальными уравнениями, передаточными и переходными функциями, частотными зависимостями.

В практике решения инженерных задач при разработке систем автоматического регулирования часто возникает потребность в знании численных значений основных динамических параметров конкретных физических объектов. К этим параметрам относятся: постоянная времени объекта Т, коэффициент самовыравнивания ρ и скорость разгона ε.

Постоянная времени Т характеризует инерционность объекта и может быть определена путем геометрических построений на графике переходной функции (кривой разгона) объекта, полученном в результате активного эксперимента (рис.3.4, а).

Переходная функции представляет собой кривую изменения выходной величины X2 во времени при переходе объекта из одного равновесного со­стояния в другое в результате поступления на вход этого объекта ступенчатого возмущающего воздействия X1 (рис. 3.4, а).

Пусть в некоторый момент времени τ0, принимаемый за начало отсчета,

входное воздействие скачком изменяется на величину ΔХ1 до значения Х1К которое в дальнейшем остается постоянным. Тогда, начиная с момента τ0 выходная переменная объекта Х2 будет изменяться во времени по определен­ному закону, который в данном случае соответствует графику, приведенному на рисунке 3.4, б.

Рисунок 3.4 – Переходная функция

 

Датчики температуры являются объектами с самовыравниванием.

Самовыравнивание – свойство объекта самостоятельно приходить в но­вое равновесное состояние после воздействия на него некоторого возмущения.

На практике используется следующий метод для определения постоян­ной времени Т исследуемого объекта.

В результате многочисленных экспериментальных исследований уста­новлено, что постоянная времени Т является абсциссой точки D на кривой разгона объекта, в которой изменение выходной величины достигает 0,63 своего максимального значения (см. рис.3.4), т.е.

(3.3)

Следовательно, для нахождения величины Т необходимо вычислить значение ΔХ2*=0,63· ΔХ2, отложить его от начала отчёта по оси ординат (отрезок АВ), определить положение точки D на кривой разгона Х2=f2(τ) и опустить из этой точки перпендикуляр на ось абсцисс (отрезок DE). Отрезок ОЕ отсекаемый перпендикуляром, определяет искомую величину Т.

Коэффициент самовыравнивания служит для количественной оценки способности динамических объектов к самовыравниванию. Определяется он по формуле

(3.4)

где – относительное изменение входной величины;

– относительное изменение выходной величины.

Важной характеристикой исследуемого переходного процесса является также скорость разгона, численное значение которой рассчитывается по фор­муле

(3.5)

где К – коэффициент усиления объекта;

Т – постоянная времени.

Величина Е характеризует скорость изменения выходной переменной объекта при подаче на его вход единичного возмущающего воздействия.

Предыдущая статья:Порядок выполнения работы, 1. Включить стенд в сеть переменного тока. 2. Снять вольтамперную хар.. Следующая статья:Порядок выполнения работы, 1. Подготовить таблицы 3.1, 3.2 и 3.3 для занесения результатов измере..
page speed (0.0572 sec, direct)