Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры

Подождите немного. Документ загружается.

()

(10.7)

где: δ – величина воздушного зазора; S

– площадь перекрытия

магнитопровода (зазора) (м

); μ

– магнитная проницаемость воздуха

(μ

=4·10

-7

Гн/м).

Пренебрегая сопротивлением магнитопровода (R

<<R

), получим

индуктивность датчика:

()

μω

(10.8)

Из (8) следует, что индуктивность датчика зависит от величины зазора

(δ) нелинейно (см. рис. 10.8.).

Рис. 10.8.

Приблизительно, в диапазоне изменений

0,1 1,5

δδ

≤

≤ , (

– начальные

зазор в магнитопроводе), характеристику

(

)

можно считать линейной.

Поэтому такие датчики нашли применение для измерения малых

перемещений (от единиц мкм до единиц мм).

Если якорь датчика перемещается в Z координате (см. рис. 10.3), то его

индуктивность линейно зависит от

, т.е.

(

)

– линейна. Такие датчики

позволяют измерять перемещения в несколько сантиметров.

Для получения линейной характеристики в большом диапазоне

изменения зазора (

(

)

) используют реверсивные схемы

(дифференциальные индуктивные датчики) (см. рис. 10.9.).

Рис. 10.9.

В нем при

δδ

==,

вых

=0; при

≠

вых

=f(х), причем при

переходе через ноль фаза выходного сигнала меняется на 180°. Для такого

датчика U

вых

=f(х) (см. рис. 10.10.).

Рис. 10.10.

Параметры дифференциальных датчиков выбираются исходя из

обеспечения линейности U

вых

на интервале заданного изменения

перемещений.

Чувствительность простейшего индуктивного датчика:

вых

или

ddx

ηη

(10.9)

а также:

()

μω

(10.10)

чувствительность дифференциального индуктивного датчика примерно в два

раза выше чем у простейшего.

С точки зрения динамики индуктивные датчики рассматриваются как

безынерционные звенья. Индукционные датчики с переменной площадью

зазора более универсальны, чем с переменным зазором. Они находят

широкое применение в авиации, т. к. удовлетворительно работают при

частоте бортовой сети электропитания. Частоты питающих

напряжений не

превышают 5 кГц, т. к. на более высоких частотах возникают потери на

перемагничивание.

Для измерения угловых перемещений используются дифференциальные

трансформаторные датчики с поворотным движением якоря (см. рис. 10.11.).

Рис. 10.11.

При отклонении якоря от нулевого положения, когда U

вых

=0, U

вых

меняет

фазу на 180° и U

вых

=f(x) достаточно линейно, но зависит от Z

и при наличии

в нагрузке реактивной составляющей приобретает нелинейность, а выходной

синусоидальный сигнал искажается.

Электротепловые датчики

используются для измерения температуры и

преобразуют изменение температуры в изменение электрической величины:

ЭДС или сопротивления. В зависимости от выходной величины они делятся

на термопары и термосротивления.

Принцип действия термопары основан на термоэлектрическом эффекте,

который состоит в том, что в спае двух разнородных проводников при

нагревании появляется ЭДС, значение которой зависит от материалов

проводников и от температуры спая.

Для измерения температуры (-200<t °C<+2500) используют

термопары с

металлическими термоэлектродами (рис. 10.12.). Значение термо ЭДС для

различных типов термопар колеблется от десятых долей до десятков

милливольт. Так, ЭДС для термопар:

Медь-Константан

(

)

(

)

4,3 100 , 6,18 260E при CE при С=°=−−°

Медь-Золото-Кобальт

(

)

(

)

0,86 20 , 9,87 270E при CE при С

°=− −°

Вольфрам-Молибден Е= до 3,8,

Вольфрам-Тантал Е= до 20,0,

Вольфрам-Рений Е= до 30,0.

горячий

спай

Рис. 10.12.

Чувствительность термопар

yEt

ΔΔ

где

Δ – изменение термо-ЭДС при изменении температуры

tΔ

Для измерения высоких температур нашли применение термопары из

тугоплавких металлов и сплавов:

вольфрам-Молибден 1300÷2400 ºС,

вольфрам-Тантал 400÷2000 ºС,

вольфрам-Рений 0÷2500 ºС,

вольфрам-вольфрам молибден 1000÷2900 ºС.

Промышленностью СССР и за рубежом применяются термопары по

указанным ниже (см. табл. 10.1.) стандартам:

Пределы измерения и точность типов термопар. Таблица 10.1.

Страна,

стандарт

Медь-

констант

ан

Хромель

-копель

Железо-

констант

ан

Хромель

алюмель

Платинор

одий-

платина

Нихром-

никель

СССР

ГОСТ 6616-

–

()

50.. 600

2,5%

++°

–

()

50.. 1000

7,5%

−

+°

()

20.. 1300

2,9%

−

+°

–

США

С96, 1-1964

()

190.. 400

3, 0%

−

–

()

190.. 760

5,25%

−

+°

()

0.. 1260

9,0%

()

0.. 1480

7,5%

–

Великобрита

ния

В1826-29,

104-43

()

190.. 400

5, 0%

−

+°

–

()

195.. 750

5, 0%

−

+°

(

)

0.. 1250

10,0%

()

0.. 1400

3, 0%

–

ФРГ

Д43710

()

200.. 400

4,0%

−

+°

–

()

200.. 700

5, 0%

−

+°

–

()

0.. 1300

6,0%

()

0.. 1000

7,0%

Польша

Р-59М-53854

– – – – –

()

0.. 1000

4,0%

Для различных типов термопар чувствительность различна и

неодинакова при разных температурах горячего спая.

ЛЕКЦИЯ 11

ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРОМАШИННОГО ТИПА

Среди электромеханических систем технологического оборудования

значительное место занимают системы дистанционной передачи

перемещений (как линейных, так и угловых). К датчикам электромашинного

типа относятся: сельсины, магнесины, редуктосины, вращающиеся

трансформаторы (в т. ч. синусно-косинусные вращающиеся

трансформаторы), индуктосины, цифраторы.

Сельсин представляет собой электрическую машину, статор и ротор

которой набран из листовой электротехнической стали. На

статоре (или

роторе) размещают трехфазную (или однофазную обмотку), а на роторе

(статоре) – однофазную (или трехфазную) обмотку. Трехфазная обмотка

выполняется по схеме треугольника или звезды. Трехфазные обмотки

сельсин-датчика и сельсин-приемника соединяются в параллель.

В зависимости от соединения однофазных обмоток различают схемы

включения «индикаторную» (см. рис. 11.1.) и «трансформаторную» (см. рис

11.2.).

Рис. 11.1. Схема соединения сельсинов «индикаторная»

Рис. 11.2. Схема соединения сельсинов «трансформаторная»

Недостатки сельсинов – питание от источника переменного тока

частотой 100-200 Гц, точность угловых измерений - ±10÷15

, допускает

проскальзывание на n·120

, М

кр

≈n (градусов) в «индикаторной» схеме,

наличие искрящего токосъемника (в «индикаторной» схеме).

Сельсины применяются для грубой работы в системах

позиционирования, например, антенн в радиолокации, радионавигации и т. д.

Магнесин – бесконтактный датчик угловых перемещений. Применяется

для дистанционного контроля угла поворота вала при ничтожно малой

нагрузке на валу, например, в магнитных компасах.

Статор

выполняется из мягкой листовой технической стали, а ротор

представляет собой постоянный магнит (жесткая электротехническая,

предварительно намагниченная сталь). Ротор механически связан с

контролируемым объектом. На статоре размещается две обмотки, обмотка

питания и выходная обмотка.

Магнесин питается переменным током частотой 400-500 Гц и строится

по схеме на рисунке 3.

Рис. 11.3. Магнесин

В зависимости от материала ротора качество датчика изменяется (см

таблицу 11.1.)

Таблица 11.1.

Материал ротора Коэрцитивная

сила

Магнитная

индукция

B(r)

max

Дата

первого

образца

Углеродистая

сталь

50 10000 0,26 1880

Кобальтовая

сталь

240 9200 0,9 1917

Ферромагни

ты

Сплав Fe-Ni-Al 480 6100 1,05 1933

Бариевый

гексагональный

феррит

1800 2000 0,9 1952

Сплав Pt-Co 4300 6500 9,5 1958

Ферримагни

ты

Соединение

SmCo

9500 9000 20 1968

Погрешность магнесина, как элемента следящей системы примерно 25

Действие магнесина достигает максимума, если состояние магнита ротора

соответствует точке кривой размагничивания, т. е. точке, где максимально

значение Bhmax , т. е. максимальна магнитная энергия единицы объема

материала. Максимальный эффект дают ферримагнитные

интерметаллические соединения редкоземельных элементов Sm (самарий),

Nd (неодим) и Со (кобальт).

Вращающийся трансформатор (

ВТ) имеет в статоре и роторе,

набираемых из листовой электротехнической (магнитомягкой) стали, в пазы

укладывают по одной или по две обмотки так, чтобы они были взаимно

перпендикулярны, а воздушный зазор между статором и ротором сохранялся

постоянным.

Рис. 11.4. Вращающийся трансформатор

Для ВТ, имеющего по одной обмотке в статоре и роторе, на обмотку ω

подается переменное входное напряжение U

вх

, а во вторичной обмотке ω

наводится переменная ЭДС взаимоиндукции, значение которой определяется

расположением обмоток ω

и ω

друг относительно друга. Если обмотки

перпендикулярны, то ЭДС U

=0, если направление осей магнитного поля

обмоток ω

и ω

совпадает, то U

вх

=max.

На холостом ходу, т. е. при Z

→∞

211

cosUkU

=−

(11.1)

При наличии нагрузки (при Z

≠∞) в косинусоиде U

появляется искажение,

которое можно устранить первичным и вторичным симметрированием. Для

этого на статоре и роторе укладывают по две взаимно перпендикулярные (в

электрическом смысле) обмотки. Но такой трансформатор называют

синусно-косинусным ВТ (

СК ВТ) (рис. 11.5.).

Рис. 11.5. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор.

Вторичное симметрирование достигается равенством параметров

′=ω

″ и Z

н1

н2

, а первичное симметрирование обеспечивается равенством

параметров ω

′=ω

″ и введением Z

с1

Если в одну из первичных обмоток СКВТ подать переменное

напряжение U

, то в обмотках ω

′ и ω

″ наводятся э.д.с. самоиндукции,

изменяющиеся при повороте ротора по закону:

11 11

sin cosEkU и EkU

′′′

=− =

(11.2)

Точность измерения угловых перемещений СК ВТ достигает ±(2÷3)′, что

достигается прецизионной технологией набора пакетов статора и ротора, а

100

так же использованием различных методов компенсации погрешности

(например, схема с обратной связью по квадратурной обмотке датчика).

Отечественной промышленностью выпускаются ВТ типов ВТМ, ВТП,

МВТ, СКТ, БСКТ, СКВТ и др.

Основные характеристики некоторых СК ВТ приведены в таблице 11.2.

Таблица 11.2.

Тип трансформатора Технические данные

ВТП-6 МВТ-1В ВТ-5

1) Напряжение питания, В 40 26 40

2) Частота, Гц 400 400 500

3) Коэффициент трансформации - - 0,56

4) Ток холостого хода, мА 6,5 50 160

5) Электрическая асимметрия нулевых положений

Uвх

а) Несинусоидальность, %

б) Остаточное напряжение,

мВ

в) Крутизна выходной характеристики,

мВ/угл.мин

30-50

1,6

0,02-0,06

6) Погрешность в дистанционной передаче, угл.мин ±(5-10) ±(5-10) ±(1-3)

7) Масса, г 65 150 600

В системах автоматизации ВТ используют не только как датчики, но и

как элементы сравнения, измеряющие угол рассогласования. Для этого СКВТ

соединяют по схеме, показанной на рис. 11.6.

Рис. 11.6.