Электрические датчики неэлектрических величин

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра ЭПЭО

Энергетический  институт

 

РЕФЕРАТ

Электрические датчики неэлектрических величин

 

 

 

 

Руководитель:

Старых А.А

Выполнил: студент  гр. 7А86

 Власов А.И.

 

 

 

Томск  2010

СОДЕРЖАНИЕ

                  Стр.

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Общие сведения о датчиках неэлектрических величин 4

2. Виды датчиков неэлектрических величин 7

3. Контактные датчики 7

4. Бесконтактные датчики 11

Заключение 20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Человек, глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих его предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят  о пяти видах ощущений, связанных  со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение  определенных органов – «датчиков  чувств». Для различных видов  ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств. Однако, для получения  ощущения одних только органов чувств недостаточно.

Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек  видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения  от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в  головной мозг и уже в нем формируется  ощущение большого и малого, черного  и белого и т.д. Эта общая схема  возникновения ощущения относится  также и к слуху, обонянию и  другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто  сладкое или горькое, тихое или  громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие  на эти раздражения.

Аналогичная система формируется  и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным  устройством и выдачи им управляющих  сигналов на исполнительные устройства. Для приема подобной информации служат как раз датчики неэлектрических  величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, регистрируется факт наличия или  отсутствия объектов, давление расходы  жидкостей, газов, скорости вращения и  т.п.

 Стремительное развитие  электроники и вычислительной  техники оказалось предпосылкой  для широкой автоматизации самых  разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в  быту. Реализация этой предпосылки  в значительной мере определяется  возможностями устройств для  получения информации о регулируемом  параметре или процессе, т.е. возможностями  датчиков. Датчики, преобразуя измеряемый  параметр в выходной сигнал, который  можно измерить и оценить количественно,  являются своеобразными органами  чувств современной техники.

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДАТЧИКАХ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ   ВЕЛИЧИН

Датчики представляют собой электрические  аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного изменения входной (контролируемой) неэлектрической величины в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления — линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивление, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

Основной  характеристикой датчика является чувствительность

На практике пользуются также понятием относительной чувствительности

 

 

Датчики могут быть линейными (S=const) и нелинейными (S=var). У последних чувствительность зависит от значения входной величины.

Существенным параметром датчика является порог чувствительности — это изменение входной величины, вызывающее наименьшее изменение выходной величины, которое может быть обнаружено.

Важнейшим параметром датчика является его  погрешность.

Номинальной характеристикой датчика называется зависимость выходной величины от входной, которая приписывается паспортом и используется как расчетная при проведении измерений. Экспериментально снятая, реальная зависимость «вход— выход» отличается от номинальной на погрешность.

Различают абсолютную и относительную погрешности датчика по входу.

Абсолютная погрешность:

относительная погрешность:

X_вх.ном.– значение входной  величины датчика, определяемое по физическому значению выходной величины и номинальной характеристики.

X_д – истинное значение входной величины.

Аналогично могут быть рассмотрены  погрешности датчика по выходу.

На погрешность оказывают  влияние внешние условия: температура, магнитные и электрические поля, влажность окружающей среды, напряжение и частота источника питания, вибрации и др.

Допустимая интенсивность внешних (влияющих) факторов ограничивается техническими условиями или стандартом.

Погрешности датчика при  нормальных значениях внешних параметров (нормальной температуре, нормальном атмосферном давлении, номинальных значениях напряжения и частоты питания ит.п.) называются основными.

Различают аддитивную погрешность, не зависящую от значения входной величины Х, и мультипликативную погрешность, зависящую от нее (погрешность чувствительности).

 

 

 

Абсолютная и относительная  погрешности выражаются

формулами:

 

где Δ₀ – аддитивная погрешность;

γ_S – относительная погрешность чувствительности.

Рисунок 1. зависимость  относительной погрешности γ₀ от входной величины X.

Здесь Х_Н — нижнее значение, Х_В — верхнее значение входных величин, при которых нормируется основная погрешность.

Если параметры внешних  условий выходят за границы нормируемых, то возникают дополнительные погрешности. Для уменьшения дополнительных погрешностей либо снижают чувствительность датчика к внешним условиям, либо уменьшают степень их влияния.

Наряду с высокой  чувствительностью и малой погрешностью датчики должны обладать необходимым диапазоном изменения входной величины, возможностью согласования с измерительной схемой и минимальным обратным воздействием датчика на входную величину. При быстрых изменениях входной величины датчик должен быть малоинерционным.

2. ВИДЫ ДАТЧИКОВ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Существующие датчики весьма разнообразны по принципу действия, конструктивному выполнению и схеме.

Датчики можно разбить на две  большие группы:

1 – параметрические (пассивные);

2 – генераторные (активные).

К первым относятся резистивные, индуктивные, емкостные контактные датчики. Ко вторым относятся датчики, использующие эффект наведенной ЭДС (электромагнитной индукции), пьезоэффект, эффект Холла, термо-ЭДС, появление ЭДС при воздействии радиоактивных излучений и т. п.

Так же как  и электрические аппараты, подразделяются на:

контактные  и бесконтактные.

 

3. КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ

Наиболее популярными представителями  контактных датчиков являются резистивные датчики.

 

 

1–подвижный скользящий контакт;

2–каркас.

 

 

 

Рисунок 2. Различные исполнения резистивных датчиков.

В таких датчиках подвижный скользящий контакт переменного резистора  связан с элементом, перемещение которого контролируется.

Если сечение  каркаса, на котором намотан резистор, всюду одинаково, то сопротивление датчика меняется пропорционально углу поворота α или ходу х. При необходимости зависимость R (а, х) может быть сделана нелинейной. Тогда каркас имеет переменное сечение или резисторы r₁—r₆ неодинаковы по сопротивлению (рис. 2, в и г).

 

Существуют множество схемы включения датчиков.

Некоторые из них приведены ниже.

Рисунок 3. Схемы включения резисторных  датчиков.

Наиболее  простой является реостатная схема  (рис. 3, а).

Широко  применяется потенциометрическая  схема (рис. 3, б).

Если входное  сопротивление измерительной схемы велико, то выходное напряжение U_вх. зависит от α или х и не зависит от R₀:

Чувствительность  датчика   с линейным    перемещением подвижного контакта:

Для повышения чувствительности желательно увеличивать напряжение питания  U₀. Однако при этом растет мощность, рассеиваемая датчиком. Максимальная чувствительность:

где P_max – наибольшая допкустимая мощность резистора R₀.

В схеме (рис. 3, в) при перемещения подвижного контакта вина или вверх от начального среднею положения (α=0) выходное напряжение меняет полярность.

В схеме (рис. 3, г) при перемещении левого подвижного контакта вниз правый с помощью механической передачи движется вверх, при этом чувствительность возрастает а 2 раза.

Чувствительность резистивных датчиков может быть 3–5 В/мм.

Погрешность работы датчиков зависит от стабильности питающего напряжения U0, точности изготовления конструктивных деталей, температурной стабильности использованного проводникового материала. Для повышения температурной стабильности следует применять проволоку с малым температурным коэффициентом сопротивления.

Резистивные датчики применяются для измерения  линейных и угловых перемещений. С их помощью можно измерить уровень и расход жидкости (датчик соединяется с поплавком), силу (датчик соединяется с упругим элементом, деформируемым измеряемой силой), размеры и т.д.

Преимущества  резистивных датчиков заключаются  в простоте конструкции, точности работы до 0,5 %, малых массе и габаритах.

Недостатком является наличие подвижного контакта, ухудшающего надежность работы и уменьшающего срок службы.

Для контроля размеров и отбраковки негодных деталей широко применяются контактные релейные датчики.

Рисунок 4. Контактный датчик

Если толщина  детали находится в поле допуска, то горит лампа 2. Если толщина детали больше нормы, то замыкаются контакты 4 и 5, загорается лампа 1 и гаснет лампа 2. Если толщина детали меньше нормы, то замыкаются контакты 4 и 6, загорается лампа 3 и гаснет лампа 2.

Погрешность и надежность работы датчика зависят  от работы контактной системы, поэтому дугообразование должно быть исключено. Для уменьшения износа контактов целесообразно применять схемные методы.

Следует отметить, что при малом расстоянии между контактами (1 мкм) даже при напряжении 10В создается высокий градиент поля E = 10⁷ В/м, что может привести к интенсивной эрозии контактов. Мощность, коммутируемая контактами, не должна превышать 100—150 мВт. Минимальная погрешность при срабатывании контактного датчика находится в пределах 1—2 мкм.

 

 

 

 

 

4. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ

Индуктивные датчики.

Рассмотрим простейший индуктивный датчик (рис. 13.6, 13.7).

Рисунок 5. Индуктивный датчик с изменяющимся зазором

Рисунок 6. Индуктивный датчик с изменяющейся площадью зазораЕсли пренебречь магнитным сопротивлением стали, потоками рассеяния и выпучивания, то индуктивность обмотки равна:

Ток в цепи обмотки:

Индуктивность обмотки L и протекающий по ней ток I могут изменяться за счет изменения зазора δ или его площади S. На рис. 5, а представлен датчик с изменяемым зазором δ, а на рис, рис. 6, а — с изменяемой площадью S зазора, пропорциональной координате перемещения d. Зависимость индуктивности и тока от зазора дана на рис. 5, б зависимость индуктивности от площади или координаты d — на рис. рис. 6, б.

Погрешности индуктивных датчиков определяются стабильностью напряжения и частоты источника питания, влиянием температуры на активное сопротивление обмотки и размеры рабочего зазора.

 

Чувствительность индуктивного датчика при изменении зазора равна:

Чувствительность при изменении площади:

где L₀ — начальное значение индуктивности датчика при δ= δ₀ и S=S₀;

δ₀, S₀ –длинна зазора и его площадь в начале хода;

Таким образом, чувствительность S_δ является нелинейной функцией Δδ. Для работы с малой нелинейностью целесообразно выбирать Δδ / δ₀ ≤ 0,2.

На якорь  описанных выше датчиков действует  сила, создающая механическую нагрузку на элемент, перемещение которого контролируется.

Для устранения этого недостатка применяются дифференциальные датчики.

Рисунок  7. Дифференциальный индуктивный датчик

Дифференциальный  датчик содержит две совершенно одинаковые и симметрично расположенные  электромагнитные системы.

Конструктивные  исполнения индуктивных датчиков представлены в таблице.

 

Таблица 1.

Трансформаторные датчики.

В трансформаторном датчике при изменении зазора δ полное вопротивление первичной  обмотки также меняется и происходит перераспределение напряжений U₁ и U₂.

Рисунок 8. Трансформаторные датчики.

Трансформаторные  датчики выгодно отличаются от индуктивных отсутствием гальванической связи между цепью питания и выходной цепью, а также простотой измерительных схем. Относительно большая мощность датчиков (до нескольких десятков ватт) позволяет применять их без промежуточных усилителей. Они также широко применяются с мостовыми измерительными схемами.

За счет применения дифференциальных схем включения погрешности, вызванные изменением питающего напряжения, частоты, несинусоидальностью формы тока, изменением окружающей температуры, могут быть снижены до 0,5—0,1 %.

Индуктивные и трансформаторные датчики нашли  широкое применение для измерения перемещений, деформаций, контроля размеров и т. п.

Магнитоупругие датчики.

Если на ферромагнитный материал воздействует механическое усилие, то меняется его магнитная проницаемость  μ_а. Это явление, называемое магнитоупругим эффектом, используется в датчиках для измерения статических, знакопеременных и быстро изменяющихся механических нагрузок.

Рисунок 9. Магнитоупругие датчики больших  усилий.

В магнитоупругих датчиках (рис. 9, а и б) при изменении силы Р изменяется магнитная проницаемость μ_а материала магнитопровода и, следовательно, индуктивное сопротивление обмотки. В датчиках (рис. 9, а и б) за счет изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность обмоток и, следовательно, выходное напряжение U₂.

Для увеличения чувствительности желательно, чтобы  материалы имели высокую проницаемость  μ_а и малую индукцию насыщения. Поэтому для таких датчиков широко применяется пермаллой. С целью увеличения чувствительности магнитопровод датчика выполняется без зазоров. В некоторых исполнениях датчика тонкая пластина пермаллоя с обмоткой приклеивается к детали так же, как тензо-датчик.

Погрешности датчика вызываются колебаниями  питающего напряжения (изменяются начальное значение μ_а и магнитоупругий эффект), температуры (изменяются сопротивления обмотки и магнитоупругий эффект) и магнитоупругий гистерезисом.

Для снижения погрешности от колебаний напряжения устройства с магнитоулругим датчиком должны питаться от стабилизированных  источников питания. Для компенсации температурной погрешности в одно плечо моста включается датчик, подвергающийся воздействию контролируемой силы, в другое — компенсационный, имеющий точно такие же параметры, но не подвергающийся воздействию. При изменении внешней температуры одинаково изменяются активные сопротивления датчиков. Поскольку эти датчики включены в схему моста, изменение их активного сопротивления не сказывается на работе всего измерительного канала.

Погрешности за счет магнитоупругого гистерезиса могут достигать 4 % и вызваны тем, что одному и тому же значению воздействующей силы соответствует различное значение магнитной проницаемости. Для уменьшения этой погрешности выбирается материал с узкой петлей гистерезиса. Напряженность магнитного поля должна приближаться к напряженности насыщения. Максимальная механическая нагрузка не должна превышать 1/6—1/7 предела упругости.

Индукционные датчики.

Если изменяется потокосцепление, связанное с проводником или катушкой, то в них возникает ЭДС. Это происходит при движении проводника в магнитном поле или магнитного поля, пересекающего неподвижный проводник. ЭДС индукции возникает и тогда, когда потокосцепление изменяется в результате изменения магнитной проводимости. Эти явления лежат в основе работы индукционных датчиков.

Индукционные  датчики часто используются как  датчики скорости. Если использовать дифференцирующие и интегрирующие цепочки, то можно получить выходные величины, пропорциональные ускорению и перемещению.

Рисунок 10. Простейший индукционный датчик скорости линейного перемещения.

Выходной сигнал снимается с обмотки, в которой наводится ЭДС E=B_lwv, где В – индукция, создаваемая в рабочем зазоре кольцевым постоянным магнитом; l – длина витка перемещающейся измерительной обмотки; w – число витков; v – скорость перемещения измерительной обмотки. Чувствительность датчика S=B_lw может быть увеличена за счет увеличения индукции и числа витков. Для получения сигнала, пропорционального перемещению, сигнал с обмотки интегрируется с помощью цепочки RC. При интегрировании с малой погрешностью постоянная времени T=RC берется достаточно большой и сигнал уменьшается в сотни раз.

Для контроля частоты вращения используются датчики в виде тахогенераторов  и импульсных индукционных датчиков. Тахогенератор постоянного тока может представлять собой генератор малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. ЭДС на выходе такого генератора пропорциональна частоте его вращения n:

E=κn.

Для повышения линейности выходной характеристики сопротивление  нагрузки должно быть возможно больше (уменьшается реакция якоря). Переходное сопротивление щеток также вносит существенную погрешность.

 

 

Более надежны асинхронные  тахогенераторы.

Рисунок 11. Асинхронный  тахогенератор переменного тока.

Обмотка статора 1 питается от источника переменного тока частотой 400-500 Гц. Обмотка 2 неподвижна и сдвинута относительно обмотки 1 на 90°. Полый алюминиевый ротор 3 связан с валом, скорость которого контролируется.

При неподвижном роторе пульсирующий поток от обмотки 1 не вызывает ЭДС в выходной обмотке, так как оси обмоток сдвинуты на 90°. При вращении ротора 3 в нем возникают ЭДС и токи резания, пропорциональные частоте вращения. Эти токи создают поперечное магнитное поле, изменяющееся с частотой питания. Возникающая в обмотке 2 под действием магнитного поля ротора ЭДС имеет амплитуду, пропорциональную угловой скорости ротора: E≡ω

Достоинством  такого датчика является отсутствие щеток и неизменность частоты выходного сигнала.

Если обмотку 1 питать от сети постоянного тока, то обмотка 2 выдает ЭДС, пропорциональную угловому ускорению вала.

На рис. 12 показан импульсный индукционный дат чик.

На вращающемся валу укреплен выступ из магнитомягкой стали. При прохождении выступа мимо рабочего зазора магнитное сопротивление R_м для потока постоянного магнита резко уменьшается.

 

Рисунок 12. Импульсный индукционный датчик.

При нарастании потока появляется первый импульс ЭДС  в выходной обмотке. При спадании потока – второй. За один оборот появляется два импульса ЭДС. Число импульсов в единицу времени считывается измерительным устройством. Достоинство датчика – в точности, не зависящей от качества выполнения магнитной системы, старения постоянного магнита, расстояния между валом и магнитом и других факторов. Источником погрешности для первых двух типов датчиков является изменение сопротивления обмоток под действием температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В заключении хотелось бы отметить, что  контакторы имеют очень широкую  область применения. Наиболее широко применяются одно- и двухполюсные контакторы постоянного тока и трёхполюсные контакторы переменного тока. К контакторам из-за частых коммутаций (число циклов включения-выключения для контакторов разной категории изменяется от 30 до 3600 в час) предъявляются повышенные требования по механической и электрической износостойкости. В отличие от автоматических выключателей контакторы могут коммутировать только номинальные токи, они не предназначены для отключения токов короткого замыкания. Как правило, контакторы применяются для коммутации электрических цепей при напряжении до 660В и токах до 630А.

Основные области применения контакторов: управление мощными электродвигателями (например на тяговом подвижном составе: Электровозах, тепловозах, электропоездах, лифтах), коммутация цепей компенсации реактивной мощности, коммутация больших постоянных токов.

Контакторы применяются для  управления и автоматизации различных  жилых, офисных, промышленных и других помещениях. Они управляют осветительными, обогревательными и вентиляционными  устройствами, лифтами, отопительными  насосами и иными устройствами в  силовых цепях постоянного и  переменного тока с напряжением  до 380 В и частотой 50 Гц. Контакторы широко применяются при электромонтажных работах.

Контактор не может защитить электрические  цепи от перегрузочных режимов, так  как у них нет защитных элементов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников

 

1. А.А. Чунихин «Электрические аппараты».
2. С.И. Лезнов, А.А. Тайц «Обслуживание электрооборудования электрических станций и подстанций» – М. «Высшая школа».
3. Л.С. Цейтлин «Электропривод, электрооборудование и основы управления».
4. Wikipedia.org