формирования измерительного сигнала.
Всложных измерительных устройствах функции различных преобразователей разграничены. Как правило, один из них используется в качестве чувствительного элемента, обеспечивая тем самым восприятие измеряемой величины. Ряд других служит, в зависимости от полной функции преобразования, как для осуществления промежуточных преобразований, так
идля формирования измерительного сигнала.
Врамках настоящего и последующего разделов из всего множества измерительных датчиков и преобразователей рассматривается группа, имеющая применение в РЭА и устройствах автоматики.
5.2Датчики первичной информации
5.2.1Типы датчиков
Воснове организации автоматической системы ввода данных лежит применение датчиков входной информации с электрическим выходом и последующим преобразованием электрического сигнала в цифровую форму. Так как основные характеристики датчиков являются определяющими для системы сбора данных и систем управления, работающих в реальном масштабе времени, то они представляют интерес. В соответствии с измеряемым параметром удобно разделить на группы существующие датчики:
-измерения угловых величин;
-электрических постоянных токов и напряжений;
-электрических переменных токов и напряжений;
-измерения температуры.
5.2.2 Датчики угла (измерение угловых величин)
Угловые размеры чаще всего ограничены 360 град. В зависимости от требуемой точности измерения используют различные принципы построения преобразователей «угол — электрическая величина». Примером подобного типа преобразователей могут служить реостатные и дискретные на основе зубчатых и кодовых дисков с контактным, фотоэлектрическим или индуктивным съемом информации. Измерение угловых размеров реостатными преобразователями может быть реализовано с погрешностью
0,05 — 0,03 %.
Возможность обеспечения большой выходной мощности значительно упрощает построение системы сбора данных. В качестве таких преобразователей применяют проволочные реостатные преобразователи с различным пределом измерения от долей одного оборота до десятков оборотов. Сопротивление преобразователя в зависимости от угла поворота
(5.1)
где β=α/αmax — относительное перемещение элементов преобразователя,
который при включении в электрическую цепь может быть использован в качестве косвенного преобразователя угла поворота в ток или напряжение по зависимостям
где U0 , I0 — опорные напряжения и ток преобразователя.
Разновидность высоконадежного реостатного датчика с неизнашивающимся контактом изображена на рисунке 5.1. Поворот датчика приводит к изменению сопротивлений R1, R2, а функциональная характеристика датчика может быть записана выражением (5.1); погрешность такого преобразователя достигает 1 %.
Очень часто для измерения параметров угла поворота используют вращающиеся трансформаторы (ВТ). На цилиндрических статоре и роторе размещаются по две обмотки, причем как обмотки статора We, Wk, так и обмотки ротора Ws, Wc сдвинуты относительно друг друга на 90 град. В силу электрической перпендикулярности обмоток
Рисунок 5.1 We, Wk их воздействия на вторичные обмотки Ws, Wc независимы.
Передаточные коэффициенты ненагруженного идеального ВТ изменяются по синусной или косинусной зависимости от угла а поворота ротора. Например, при Ue=U, Uk=0:
KS=KT sin а, КC = KT cos a,
где KT - коэффициент трансформации ВТ. Напряжение на выходах ВТ:
US= KT U sin a; UC = KT U cos а .
Достоинством подобного преобразования является то, что с датчика снимаются напряжения, пропорциональные синусу и косинусу угла а поворота ротора, что значительно упрощает процессы последующей обработки информации потому, что для формирования алгоритма управления чаще всего необходимы именно эти зависимости.
В настоящее время все чаще используют дискретные преобразователи “угол поворота — помехоустойчивый цифровой код” (например, код Грея), которые необходимы прежде всего для удовлетворения потребностей в точных измерениях угловых параметров. Цифровой выход датчика значительно упрощает ввод данных в МП вследствие отсутствия
необходимости обработки аналоговых сигналов. Погрешность подобных датчиков равняется погрешности дискретности.
5.2.3 Датчики постоянного электрического тока и напряжения
Для измерения постоянного напряжения, не свыше 10 В, датчики не требуются: измеряемое напряжение сразу подается на СОД. Для измерения постоянного тока, не свыше нескольких единиц миллиампер, датчики также не требуются: измеряемый ток является входным током СОД (в СОДе используется ИНУТ – источник напряжения, управляемый током). Однако, обычно токи и напряжения значительно отличаются от указанных. В этом случае в качестве датчиков тока используют:
а) для измерения постоянного тока – резистивные шунты, осуществляющие пропорциональное ответвление подавляющей части тока от измерительной части (рисунок 8.2а); погрешность шунтов 0,005–0,5 %;
б) для измерения постоянного напряжения – резистивные делители, осуществляющие пропорциональное уменьшение измеряемого напряжения до величин, достаточных для измерительной части СОД (рисунок 8.2б); погрешность делителей 0,005 – 0,5 %.
На рисунке 5.2 резисторы RA и RV – соответственно входные сопротивления измерительных преобразователей тока и напряжения.
а — амперметра; б — вольтметра
Рисунок 5.2 – Схема расширения пределов измерения
Расчет шунта и делителя производится следующим образом.
1) Для тока. Пусть рабочий ток I и входной ток измерительной части IА
соотносятся: I/ IА=m. Тогда RШ= RA/(m-1).
2) Для напряжения. Пусть рабочее напряжение U и входное напряжение измерительной части UV соотносятся: U/ UV =l. Тогда RД= RV(l-1).
5.2.4 Датчики переменного электрического тока и напряжения
Для измерения параметров переменного тока и напряжения по форме, близкой к гармонической, с частотами 50-400 Гц, используются измерительные трансформаторы. При этом существенным преимуществом их использования является гальваническая развязка измеряемых тока и напряжения и измерительной части.
Измерительный трансформатор тока содержит малое число витков первичной обмотки w1 и большое число вторичной обмотки w2, при этом
трансформатор работает в режиме короткого замыкания (входное сопротивление СОД 0,2-2,0 Ом). Погрешность трансформатора тока 0,05 – 1,0 %. На рисунке 5.3 представлены схема включения и конструкция трансформатора тока. Значение измеряемого тока в первичной обмотке определяется во вторичной исходя из соотношения:
I2=I1w1/w2.
Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до 15 кА. При больших значениях тока первичная обмотка представляет собой прямолинейный отрезок шины или стержень, проходящий через окно магнитопровода.
Измерительные трансформаторы напряжения являются понижающими и работают в режиме холостого хода. Они различаются классом точности (0,1 и 0,2) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц – 400 Гц.
а— схема включения;
б— конструкция проходного трансформатора тока: 1 – магнитопровод; 2 — изолятор
Рисунок 5.3 - Измерительный трансформатор тока
Первичная обмотка трансформатора напряжения (рисунок 5.4) обозначается буквами А и X; она включается параллельно измеряемой цепи. Начало и конец вторичной обмотки обозначены буквами а и х соответственно; к этим зажимам подключается вход СОД. Значение измеряемого напряжения (напряжения в первичной обмотке) определяется исходя из выражения:
U2=U1 w2 /w1 .
Рисунок 5.4 – Измерительный трансформатор напряжения
Трансформаторы напряжения рассчитываются для работы с первичным напряжением от 380 до 500000 В, поэтому число витков первичной обмотки велико. Трансформаторы, первичная обмотка которых предназначена для работы с напряжением 3 кВ и выше, снабжаются высоковольтными изоляторами, помещаются в кожухи, заполненные трансформаторным маслом. Масса их достигает сотен килограммов.
Термоэлектрические датчики предназначены для работы в цепях переменного тока в диапазоне низких и высоких частот. Преобразователь (рисунок 5.5) представляет собой нагреватель 1, по которому протекает измеряемый ток I, и связанную с ним термопару. Во время измерения температура места соединения нагревателя и термопары приобретает значение T1, а свободные концы термопары имеют температуру окружающего
пространства Т2. Разность температур вызывает термоЭДС ЕT = a (T1 − Т2),
где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от материала термопары и ее конструкции. В установившемся состоянии вследствие тепловой инерции температура нагревателя T1 постоянна и определяется
рассеиваемой на нем мощностью.
Рисунок 5.5 – Термоэлектрические датчики
2
Следовательно, можно написать такое равенство: I RH = k (T1 — Т2), где k
— коэффициент теплоотдачи. Исключив разность температур из данного
выражения и выражения для термоЭДС, получаем
2
ЕT=аT I ,
где аT = aRH2/k — коэффициент пропорциональности; RH — сопротивление
нагревателя; I — среднеквадратическое значение измеряемого тока.
Таким образом, характеристика термоэлектрического преобразователя