Реферат по "Теплотехнике"

1.1

Измерительный преобразователь, средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации. В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе И. п. (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя. Обязательное условие измерительного преобразования — сохранение в выходной величине И. п. информации о количественном значении измеряемой величины.

Измерительные преобразователи по месту, занимаемому в измерительном тракте, делятся на первичные и вторичные. К первичным преобразователям относятся датчики. В них электрический сигнал возникает в результате непосредственного воздействия наблюдаемого явления (микрофоны для записи тонов сердца, потенциометры для регистрации движений). Вторичные ИП предназначены для преобразования сигнала с датчика в форму, воспринимаемую последующими элементами измерительного тракта и могут быть промежуточными (на основе АЦП, ЦАП и др. преобразователей), масштабными и передающими.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще,

Используемые  датчики весьма разнообразны и могут  быть классифицированы по различным признакам:  

 

В зависимости  от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение  доли измерений различных физических величин в промышленности: температура  – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические  и магнитные величины – менее 4%. 

 

По виду выходной величины, в которую преобразуется  входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено  следующими достоинствами электрических  измерений:

- электрические величины  удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется  с высокой скоростью; 

- электрические величины  универсальны в том смысле, что  любые другие величины могут  быть преобразованы в электрические и наоборот;

- они точно преобразуются  в цифровой код и позволяют  достигнуть высокой точности, чувствительности  и быстродействия средств измерений.  

 

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики  входную величину преобразуют в  изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. 

 

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Требования, предъявляемые  к датчикам:

- однозначная зависимость  выходной величины от входной;

- стабильность характеристик  во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного  воздействия на контролируемый  процесс и на контролируемый  параметр;

- работа при различных  условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.

Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении  индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д. 

 

В простейшем случае индуктивный  датчик представляет собой катушку  индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины. 

 

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все  токопроводящие предметы. Индуктивный  датчик является бесконтактным, не требует  механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.

Преимущества

-   нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов

-   отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания

-   высокая частота переключений до 3000 Hz

-   устойчив к механическим воздействиям

Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

 

Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними. 

 

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = e₀eS/h

Зависимости C(S) и C(h) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости. 

 

Емкостные датчики, также  как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют  мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем  случае, как правило, используют зависимость  частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход. 

 

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических  полей, относительная сложность измерительных устройств

 

Емкостные датчики применяют  для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения  заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.).

Термоэлектрические  преобразователи (термопары) - принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т₁ – Т₀ между спаем и концами термопары.  

 

Соединенные между собой  концы термопары, погружаемые в  среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру  этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Е_т будет зависеть только от температуры T₁ рабочего конца.                                  

 U_вых = E_т = С(Т₁ – Т₀),         

где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.  

 

Наибольшее распространение  для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель. 

 

Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур. 

 

Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов.

Пьезоэлектрические  датчики

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.

Используются для измерения  сил, давления, вибрации и т.д.

 

Патенциометрические датчики

Измерительные преобразователи, выполненные в виде реостата, подвижный контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины, называютсяреостатными измерительными преобразователями. Чаще всего реостатные ИП включаются в измерительную цепь по схеме потенциометра, поэтому в ряде источников используется термин «потенциометрические преобразователи».

Выходной  величиной ИП является электрическое  сопротивление, функционально связанное  с положением подвижного контакта. Реостатные преобразователи служат для преобразования угловых или  линейных перемещений в соответствующее  изменение сопротивления, тока или  напряжения. Так как в перемещение  могут быть преобразованы многие неэлектрические величины (давление, расход, уровень и др.), то реостатные преобразователи очень часто  используют в качестве промежуточных  преобразователей неэлектрических  величин в электрические.

В зависимости от материала чувствительного  элемента реостатные преобразователи  разделяются на проволочные и непроволочные.

Как следует из приведенной статической  характеристики, рассмотренные преобразователи относятся к однотактным элементам, т е. они не реагируют на знак входного сигнала. В ряде случаев необходимы преобразователи, учитывающие знак входного сигнала, - двухтактные измерительные преобразователи. Их можно построить на основе однотактных потенциометрических преобразователей, если снимать выходной сигнал с движка и средней точки потенциометра или с диагонали мостовой схемы, образованной двумя потенциометрическими датчиками со средней точкой. Два возможных варианта включения потенциометрических датчиков по двухтактной схеме приведены на рис. 5.3, а, б. Их статические характеристики соответственно 1 и 2 (рис. 5.3, в) имеют разную крутизну. Это объясняется тем, что при включении преобразователей по мостовой схеме (см. рис. 5.3, б), изменение входного сигнала отрабатывается двумя движками, смещающимися в разные стороны от средней точки, что приводит к появлению удвоенного выходного напряжения по сравнению со схемой, представленной на рис. 5.3, а.

Реальные характеристики реостатных преобразователей значительно отличаются от рассмотренных идеальных из-за различных погрешностей: дискретности выходного сопротивления; отклонения функции преобразования от расчетной, вызванного непостоянством диаметра намоточного  провода и его удельного электрического сопротивления; изменения температуры  преобразователя; влияния сопротивления  нагрузки и других факторов.

К достоинствам проволочных реостатных преобразователей можно отнести: простоту конструкции; малые размеры и массу; возможность получения необходимых функциональных зависимостей относительно простыми средствами; получение высокоточных линейных статических характеристик; стабильность характеристик; малое переходное сопротивление; возможность работы на переменном и постоянном токе; малый ТКС. 

Недостатками этих элементов следует считать: наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказа из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибания движка; сравнительно небольшой коэффициент преобразования и высокий порог чувствительности; наличие шума; подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов; ограниченную скорость линейного перемещения или вращения (до 100...200 об/мин) токосъемника вследствие его вибраций при переходе с витка на виток и повышение при этом уровня динамического шума; ограниченную частоту переменного тока (до 1000 Гц); низкую износоустойчивость.

1.3.

Преобразователь частоты представляет собой статическое  преобразовательное устройство, используемое для управления скоростью вращения асинхронных электродвигателей.

Асинхронные электродвигатели переменного тока значительно отличаются от электродвигателей постоянного  тока. Это отличие достигается  за счет простоты конструкции и удобства эксплуатации. По этой причине асинхронные  электродвигатели заметно преобладают, повсеместно используются и широко применяются во многих отраслях промышленности, энергетики, а также городской  инфраструктуре.Регулирование скорости вращения двигателя можно осуществлять при помощи различных устройств, среди которых распространены и известны следующие:

1. Механический вариатор;
2. Гидравлическая муфта;
3. Система генератор-двигатель или электромеханический преобразователь частоты;
4. Сопротивления, дополнительно вводимые в фазный ротор или статор;
5. Статический преобразователь частоты.

Первые четыре способа  имеют заметные недостатки:

• сложности в применении, эксплуатации и обслуживании;
• низкое качество;
• узкий диапазон регулирования;
• неэкономичность.

Указанные выше недостатки отсутствуют только в одном случае, в случае использования статических  преобразователей частоты. В данном случае регулирование скорости вращения электродвигателя производится путем изменения величины напряжения питания и частоты двигателя. Коэффициент полезного действия (КПД) такого преобразователя составляет не менее 98 %, система управления на основе микропроцессора обеспечивает высокое качество управления асинхронным электродвигателем, контролирует множество его параметров, резко сокращая возможность возникновения и развития аварийных ситуаций.

В зависимости от способа  преобразования энергии частотные  преобразователи бывают двух видов:

• непосредственные;
• двухступенчатые.

В настоящее время более  распространены преобразователи второй группы. Судя по названию не трудно понять, что данный тип преобразователей производит двойное преобразование энергии. Действительно в силовой  части преобразователя можно  выделить выпрямитель, который преобразует  энергию переменного тока в электрическую  энергию постоянного, а также  инвертор, выполняющий обратное преобразование. Ввиду этой особенности преобразователи  такого типа также называют преобразователями  частоты со звеном постоянного тока.

По способу управления электродвигателем преобразователи  можно разделить на следующие  группы:

со скалярным управлением; с векторным управлением.

Второй способ управления преобразователем частоты позволяет  осуществлять гораздо более качественное управление электродвигателем, нежели первый. Зато настройка такого преобразователя  требует глубоких познаний в области  устройства электропривода и электрических  машин. Скалярный способ управления позволяет осуществлять легкую регулировку, даже при использовании заводских  настроек.

Тахогенера́тор (от др.-греч. τάχος — быстрота, скорость и генератор) — измерительный генератор постоянного или переменного тока, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты (угловой скорости) вращения вала в пропорциональный электрический сигнал.

Величина сигнала (ЭДС) прямо пропорциональна частоте вращения.Сгенерированный сигнал подаётся для непосредственного отображения на специально проградуированный вольтметр (тахометр) либо на вход автоматических устройств, отслеживающих частоту вращения.

Принцип действия

Действие тахогенератора основано на пропорциональности угловой  частоты вращения ротора генератора его ЭДС при постоянном значении потока возбуждения.

Различают тахогенераторы переменного  тока (синхронные и асинхронные) и  постоянного тока.

• Тахогенераторы постоянного тока — небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой.
• Тахогенераторы синхронного типа представляют собой небольшие синхронные машины с постоянным магнитом в качестве ротора.
• Асинхронные тахогенераторы (получили наибольшее распространение) по конструкции подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин).

Достоинства. Пара тахогенератор — тахометр не требует дополнительных источников питания, проста и достаточно надёжна в работе.

Недостатки. Тахогенераторы не могут измерять очень медленное вращение — получающийся сигнал чересчур мал.

Тахогенератор создаёт дополнительную нагрузку на вращающийся вал и  содержит трущиеся детали, требующие  регулярного ухода. (С развитием  электроники тахогенераторы заменяются на схемы с оптронами открытого типа, реагирующими на отражение света от меток на вале или на прерывания луча света крыльчаткой, размещённой на валу — датчики угла поворота (энкодеры)).

 

1.4.

Сельсинами называют индукционные машины, обеспечивающие синхронный и синфазный поворот или вращение двух или нескольких осей, механически не связанных между собой. Одна из таких машин механически соединена с ведущей осью и называется датчиком, а другая - с ведомой осью и называется приёмником.

Сельсины имеют две  обмотки: возбуждения и синхронизации. Различают одно- и трёхфазные сельсины, обмотка синхронизации у обоих - трехфазная. В системах автоматики наибольшее распространение получили однофазные сельсины, которые бывают контактными и бесконтактными.

Однофазный сельсин представляет собой асинхронную машину, в которой  обмотка возбуждения создает  пульсирующий поток, индуцирующий в  трех фазах обмотки синхронизации  ЭДС. Величина этих ЭДС зависит от угла поворота датчика (ротора)  . При повороте ротора взаимоиндуктивность между обмоткой возбуждения и каждой из фаз обмотки синхронизации плавно изменяется по закону косинуса, вследствие чего ЭДС, индуцируемая в этих фазах пропорциональна косинусу угла датчика. Все три индуктируемые ЭДС имеют одну и ту же временную фазу.

Различают два  режима работы сельсинов: индикаторный и трансформаторный.

Индикаторный режим используется при отсутствии другого исполнительного двигателя. Синхронизирующий момент между валами сельсина- датчика и сельсина- приемника создается при наличии некоторого пространственного угла  = - , называемого углом рассогласования. Появляющиеся при этом ЭДС обеспечивают протекание тока по обмоткам синхронизации датчика и приемника. В результате в сельсине- приемнике возникает момент, старающийся повернуть его вал на угол равный углу поворота датчика. Из - за наличия механической нагрузки на валу приемника угол рассогласования, как правило, больше нуля.

В трансформаторном режиме к ведомой оси приложен значительный момент сопротивления. Поэтому угол рассогласования  отрабатывается в этом случае с помощью исполнительного двигателя. Появляющееся в обмотке возбуждения выходное напряжение подается через усилитель на обмотку исполнительного двигателя. Сельсины могут работать в режиме поворота и в режиме вращения. В первом случае имеем статическую ошибку системы синхронной связи, а во втором ошибка рассогласования определяет динамическую точность системы.

Требования, предъявляемые  к сельсинам: статическая и динамическая точность передачи угла; удельный синхронизирующий момент, т.е. момент, приходящийся на 10 поворота ротора; максимальный синхронизирующий момент при наибольшем угле рассогласования; максимальная скорость вращения сельсинов и время успокоения ротора приемника при скачке поворота ротора датчика.

Устройство сельсинов. Однофазные сельсины, по существу, являются асинхронными машинами малой мощности. Они бывают явнополюсными (индикаторные) и неявнополюсными (трансформаторные). В явнополюсных сельсинах однофазная обмотка возбуждения располагается на явно выраженных полюсах ротора или статора. Обмотка синхронизации всегда выполняется распределенной и располагается в пазах статора или ротора; фазы её соединяются в звезду.

Сельсины выполняются  двухполюсными, для того, чтобы обеспечить самосинхронизацию в пределах одного оборота.

Число контактных колец и  щеток зависит от места расположения обмоток: сельсины с обмоткой возбуждения  на роторе имеют два контактных кольца; с обмоткой возбуждения на статоре - три контактных кольца. В некоторых  типах сельсинов применяются  электрические или механические демпферы, обеспечивающие быстрое затухание  собственных колебаний ротора при  переходе его из одного положения  в другое.

Для повышения надежности в настоящее время широко применяются  бесконтактные сельсины с однофазной обмоткой возбуждения и трехфазной обмоткой синхронизации, расположенными на статоре, вследствие чего отпадает необходимость в скользящих контактах. Недостатком бесконтактных сельсинов является худшее использование материалов из - за больших потоков рассеяния и тока холостого хода. При одинаковых синхронизирующих моментах вес бесконтактного сельсина примерно в 1,5 раза больше, чем контактного.

П о в о р о т н ы м и (вращающимися) трансформаторами называются небольшие индукционные машины, преобразующие угол поворота ротора в напряжение, пропорциональное либо самому углу, либо его функции.

Различают: 1) синусно-косинусные поворотные трансформаторы (СКПТ), которые  выдают два напряжения, изменяющиеся по гармоническому закону U_s= U_msina и U_c = U_mcosa; 2)линейные поворотные трансформаторы (ЛПТ), выходное напряжение которых изменяется по закону U = ka.

Рис.6.1. Условная схема поворотного  трансформатора

 
Поворотные трансформаторы (ПТ) состоят из статора и ротора, в пазах которых уложено по две взаимно перпендикулярных обмотки (рис.6.1). Одну из статорных обмоток называют обмоткой возбуждения- В, другую - компенсационной- К. Обмотки ротора носят названия синусной - S и косинусной- C. Параметры статорных обмоток полностью идентичны друг другу. Тоже самое справедливо и для роторных обмоток.

ПТ относятся к электрическим машинам высокой точности. Достаточно сказать, что изменение взаимной индуктивности между статором и ротором должно отличаться от гармонического закона не более чем на 0,05%.

Потребляемая поворотными  трансформаторами мощность составляет несколько вольт-ампер при напряжении до 115 В и частоте 50, 400 и 2500 Гц.

Под термином «датчики угла» понимаются устройства, преобразующие угловую координату в электрическое напряжение. Это напряжение используется в системах АЭП как сигнал обратной связи по углу или как управляющий сигнал в задающих устройствах. Датчики угла находят применение в следящих системах для измерения угла поворота исполнительного вала. Задание на движение системы может выполняться также с помощью датчика угла, угловой координатой которого является угол поворота командной (задающей) оси. Разность сигналов этих двух датчиков, так называемое «рассогласование», подаётся как управляющий сигнал на вход системы.

В этом случае оба  датчика могут рассматриваться  как «датчик рассогласования». Задание на угловое перемещение может формироваться и без датчика угла с командной осью. Тогда используется эквивалент командной оси, т.е. заданная угловая координата выступает в закодированном виде, например в форме цифровой программы. В таких системах с программным управлением выходной сигнал датчика угла исполнительного вала вводится в программное устройство, вырабатывающее задание на движение. В простейших случаях датчик угла используется как бесконтактный потенциометр, командоаппарат, фазовращатель.

Для датчиков угла и рассогласования  широкое применение нашли сельсины и вращающиеся трансформаторы.

Из двух сельсинов или  СКВТ составляется схема датчика  рассогласования, используемая для  измерения сигнала рассогласования  в следящих системах. Ротор сельсина-датчика (СД) соединен с командным штурвалом, а ротор сельсина-приемника (СП) — с исполнительным валом системы (рис. 5.5, а). Одна из роторных однофазных обмоток сельсинов получает питание и выполняет функцию обмотки возбуждения, другая является управляющей обмоткой, в которой наводится выходная ЭДС . Соединенные электрически СД и СП работают в амплитудных режимах, имея входной величиной угол поворота СД и выходной напряжение ЭДС СП, 

Вращающиеся трансформаторы (ВТ) представляют собой индукционные электрические машины, у которых выходное напряжение является функцией входного напряжения и угла поворота ротора. При этом зависимость выходного напряжения от входного — линейная, а от угла поворота ротора может быть как линейной, так и синусной (косинусной). В соответствии с этим функциональным назначением ВТ является преобразование механических величин в электрический сигнал в соответствии с заданной функциональной зависимостью. Вращающиеся трансформаторы по своему функциональному назначению разделяются на: ВТ для счетно-решающих устройств, к которым относятся синусно-косинусные (СКВТ), линейные (ЛВТ) и масштабные (МВТ) и ВТ для дистанционных передач (ВТДП) (датчики, приемники и дифференциальные ВТ).