2.5 Датчики скорости

Датчики скорости.

ДС – это преобразователи угловой скорости двигателя или скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал. Аналоговые ДС – тахогенераторы постоянного и переменного тока, тахометрические мосты, магнитоиндукционные.

Цифровые датчики скорости используют в современных системах автоматического электропривода с большими диапазонами регулирования скорости и высокими требованиями к точности.

Цифровой ДС содержит:

а) датчик импульсов (преобразователь скорости в последовательность прямоугольных импульсов с частотой, пропорциональной скорости);

б) счетчик импульсов (преобразователь, формирующий на интервале измерения цифровой код a_n-1 a_n-2 …a₁ a₀ (двоичное число скорости).

в) генератор импульсов, формирующий либо заданный интервал измерения, либо счетные импульсы, подсчитываемые на интервале измерения, определяемом периодом импульсов датчика импульсов;

г) индикатор (блок индикации скорости) для контроля скорости.

Наиболее широкое применение получили цифровые ДС с фотоэлектрическим импульсным преобразователем. Преобразователь датчика вырабатывает 2 серии импульсов, сдвинутые по фазе на π/2, что необходимо для определения величины и знака угловой скорости. На двух дорожках кодового диска расположены пропускающие свет щели. В каждом канале свет от светодиода СД через щель попадает на фотодиод ФД, который открывается и появляется ток J_ФД. Он усиливается усилителем УС. Триггеры Шмитта ТШ формируют на выходе прямоугольные импульсы U₁ и U₂ с постоянной амплитудой, сдвинутые по фазе на П/2.

Выделение импульсов из каналов преобразователя для положительного f_ω или отрицательного f _–ω направления скорости осуществляется логическим узлом ЛУ.

Счетчик СИ, получая сигналы f_ω (f – ω) от ЛУ, считает число импульсов N за заданный интервал времени:

N = f ω T = (M·T/2π)·ω,

где ω – угловая скорость входного вала,

М – число импульсов за 1 оборот диска (число щелей),

T = 1/f_ГИ – заданный интервал времени в цикле,

f_ГИ – частота импульсов генератора ГИ.

Дискретность датчика скорости:

Δω₀ = ω/N = 2π / TM.

Относительная погрешность измерения, обусловленная дискретностью процесса:

δ = (Δω₀ / ω)·100 = (2 π / Т М ω)·100.

При М = 600 имп/об, Т = 0,1 с для ω = 100 с^-1 - δ = 10%.

Высокую точность измерения скоростей можно обеспечить так: подсчитывать число импульсов генератора f_ГИ, вмещающихся на изменяемом интервале времени, определяемом частотой импульсов преобразователя из выражения Т = 1/f_ω. Однако с ростом ω в этом случае будет возрастать погрешность измерения:

δ = (ω / f_ГИ · 2 π) ·100.

Комбинация описанных способов счета импульсов позволяет получить высокоточный цифровой датчик в широком диапазоне измерения скорости.

2.6 Датчики температуры

Биметаллические преобразователи

В них осуществляется преобразование теплового воздействия в механическое перемещение воспринимающего элемента или в изменение его электрических параметров.

Воспринимающим элементом датчика с механическим перемещением является биметаллический элемент 1 (2 соединенные металлические пластинки с разными тепловыми коэффициентами расширения). При нагреве она прогибается. Усилие, развиваемое при нагреве, используется для приведения в действие исполнительной части контактов.

1 – биметаллическая пластина; 2 – упругий рычаг; 3 – штифт; 4 – регулировочный винт; 5 – корпус.

Если к пластине подвести электрический ток, то основной характеристикой датчика является зависимость времени срабатывания t_СР от тока I, протекающего через пластину.

t_СР = Т_Н ln I²/(I² - I_СР²) , где Т_Н – постоянная времени нагрева реле.

Достоинства: простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость, возможность совершения механического перемещения.

Недостатки: значительные размеры и инерционность, ограниченный диапазон измерения температуры (от - 40 до + 550 ⁰ С), большой разброс характеристик, а также большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах.

Термометры сопротивления

Термометр сопротивления это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий зависимость электрического сопротивления от температуры

R₁ = R₀ (1 + α (T₁ – T₀)),

где R₀ – сопротивление при 0 °C,

R₁ – сопротивление при температуре T₁,

α – температурный коэффициент, зависит от материала датчика.

R₀ в большинстве случаев выбирают равным 100, 500 или 1000 Ом, для медных датчиков – 10 Ом.

Самый популярный тип термометра – платиновый ТС, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры.

Свойства термометров сопротивления

Металл	Температурный коэффициент α	Рекомендуемый диапазон температур	Описание
Платина	0.0039 °C^-1	–196 °C до 600 °C	Высокая точность и стабильность. Характеристика сопротивление-температура близка к линейной. Самый широкий диапазон температур. Высокое удельное сопротивление.
Никель	0,0054 °C^-1	–60 °C до 180 °C	Наиболее высокий температурный коэффициент; наибольший выходной сигнал сопротивления.
Медь	0.0043 °C^-1	–50 °C до 150 °C	Имеют наиболее линейную характеристику, но очень ограниченный диапазон температур. Очень низкое удельное сопротивление, что обуславливает необходимость использования проволоки значительной длины.

Достоинства: хорошая линейность характеристики, высокая точность и стабильность, высокая взаимозаменяемость в широком диапазоне температур.

Недостатки: низкая чувствительность, относительно большая инерционность, необходимость трех- или четырех-проводной схемы подключения, чувствительность к ударам и вибрациям, необходим источник тока, высокая стоимость

Термопары

Принцип действия – возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями.

Наиболее точные термопары – с термоэлектродами из благородных металлов. Преимуществом является значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность, чем у термопар из неблагородных металлов, устойчивость к окислению, вследствие чего высокая стабильность. Недостатком является высокая стоимость и малая чувствительность (около 10 мкВ/К при 1000 °С). Хотя платинородиевые термопары превосходят по точности и стабильности термопары из неблагородных металлов и сплавов, минимальная расширенная неопределенность результата измерения температуры в диапазоне до 1100 °С составляет 0,2-0,3 °С.

Термопары из неблагородных металлов очень широко используются во всех отраслях промышленности. Они дешевы и просты в обращении, устойчивы к вибрациям, могут выпускаться во взрывозащищенном исполнении.

Для измерения высоких температур до 2500 °С используют вольфрам-рениевые термопары. Особенностью их использования является необходимость устранения окислительной атмосферы, разрушающей проволоку. Для вольфрам-рениевых термопар используют специальные герметичные конструкции чехлов, заполненные инертным газом, а также танталовые и молибденовые чехлы с неорганической изоляцией из оксида бериллия и оксида магния. Одно из важных применений вольфрам-рениевых термопар состоит в измерении температур в ядерной энергетике в присутствии потока нейтронов.

Особенностью работы с термопарами является применение стандартных удлинительных проводов. Провода позволяют передавать сигнал с термопары на сотни метров к измерительному прибору, внося минимальную потерю точности. Удлинительные провода изготавливаются из того же материала, что и термоэлектроды термопары, но с более низкими требованиями по качеству материалов.

Рекомендации по выбору типа термопары

Тип	Диапазон температур, ^0С		Особенности
Т медь-константановая	-200	750	• Не рекомендуется использование при температурах выше 400 °С; • Не чувствительна к повышенной влажности
L хромель-копелевая	-200	600
Е хромель-константановая	-200	700	• высокая чувствительность. • Термоэлектрическая однородность материалов электродов. • Подходит для использования при низких температурах
J железо-константановая	-200	750	• Не рекомендуется использовать ниже 0 °С, т.к. конденсация влаги на железном выводе приводит к образованию ржавчины; • выше температуры 500 °С происходит быстрое окисление выводов. • Преимуществом является также невысокая стоимость.
К хромель-алюмелевая	-200	1200	• В диапазоне от 200 до 500 °С возникает эффект гистерезиса, т.е показания при нагреве и охлаждении могут различаться до 5 °С; • Атмосфера серы вредна для термопары, т.к. воздействует на оба электрода.
N нихросил-нисиловая	-270	1200	• Высокая стабильность при температурах от 200 до 500 °С (меньший гистерезис, чем для термопары типа К); • Считается самой точной термопарой из неблагородных металлов.
S или R платнородий-платиновая	0	1300	• Загрязняется при температурах выше 900 °С водородом, углеродом, кремнием, примесями из меди и железа. • Не рекомендуется применять ниже 400 °С, т.к ТЭДС в этой области мала и крайне нелинейна.
В платнородий-платинородиевая	600	1700	• Может загрязняться при температурах выше 900 °С водородом, кремнием, парами меди и железа, но эффект меньше, чем для термопар типа S и R; • Не рекомендуется применение при температуре ниже 600 °С, где ТЭДС очень мала и нелинейна.
вольфрамрений-вольфрамрениевая	0	2500

Рекомендации по работе с термопарами:

- Использовать проволоки большого диаметра, которая, однако, не будет изменять температуру объекта измерения;

- Если необходимо использовать миниатюрную термопару из очень тонкой проволоки, следует использовать ее только в месте измерения, вне объекта следует использовать удлинительные провода;

- Избегать механических натяжений и вибраций термопарной проволоки;

- Если необходимо использовать очень длинные термопары и удлинительные провода следует экранировать провода и тщательно перекручивать выводы;

- По возможности избегать резких температурных градиентов по длине термопары;

- Использовать защитный чехол при работе во вредных условиях, чтобы обеспечить надежную защиту термопарной проволоки;

Достоинства термопар: широкий температурный диапазон (-270 … +2500 ⁰С), простота производства, низкая стоимость, износоустойчивость, не требует дополнительных источников энергии.

Недостатки: нелинейная характеристика, относительно низкая стабильность, низкая чувствительность, измерение низких ЭДС может осложниться электромагнитными шумами и наводками, необходима компенсация холодных спаев.

Термисторы

Термисторы - это, по сути, термометры сопротивления, выполненные на основе смешанных оксидов переходных металлов. Два основные типа термисторов – NTC (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления) и PTC ( с положительным коэффициентом). Наиболее распространенный тип – NTC. РТС термисторы (позисторы) используются только в очень узких диапазонах температур, несколько градусов, в основном в системах сигнализации и контроля.

Зависимость сопротивления термистора от температуры

Сопротивление идеальных полупроводников (количество дырок и носителей заряда одинаково) в зависимости от температуры может быть представлено следующей формулой

R(T) = A exp(b/T)

где A, b – постоянные, зависящие от свойств материала и геометрических размеров.

Однако сложная композиция и неидеальное распределение зарядов в термисторном полупроводнике не позволяет напрямую использовать теоретическую зависимость и требует эмпирического подхода. Для NTC термисторов используется аппроксимационная зависимость Стейнхарта и Харта

1/T = a+b(lnR)+c(lnR)³

где T – температура в К;

R – сопротивление в Ом;

a,b,c – константы термистора, определенные при градуировке в трех температурных точках, отстоящих друг от друга не менее, чем на 10 °С.

Типичный 10 кОм-ый термистор имеет коэффициенты в диапазоне 0-100 °С примерно равные: a = 1,03 10^-3 , b = 2,93 10^-4 ,c = 1,57 10^-7.

Конструкция и материалы

Большим преимуществом термисторов является разнообразие форм и миниатюрность. Основные конструктивные типы: бусинковые (0,1-1 мм), дисковые (2,5-18 мм), цилиндрические (3-40 мм), пленочное покрытие (толщина 0,2-1 мм). Выпускаются бусинковые термисторы диаметром до 0,07 мм с выводами толщиной 0,01 мм. Такие миниатюрные датчики позволяют измерять температуру внутри кровеносных сосудов или растительных клеток.

Большинство термисторов – керамические полупроводники, изготовленные из гранулированных оксидов и нитридов металлов путем формирования сложной многофазной структуры с последующим спеканием (синтерация) на воздухе при 1100-1300 °С. Наиболее стабильными термисторами при температурах ниже 250 °С являются термисторы на основе смешанных оксидов мания и никеля или магния, никеля и кобальта, имеющие отрицательный ТКС.

Номинальное сопротивление термисторов значительно выше, чем у металлических термометров сопротивления, оно обычно составляет 1, 2, 5, 10, 15 и 30 кОм. Поэтому может применяться двухпроводная схема включения.

Для получения стабильного состояния термисторы подвергают старению (до 500-700 дней). Как правило, во время старения наблюдается рост сопротивления. При длительном использовании термисторов, они уходят за пределы допуска, в большинстве случаев, термисторный термометр показывает температуру несколько ниже, чем значение, определенное по номинальной характеристике.

Исследования показывают, что бусинковые термисторы могут проявлять очень высокую стабильность (дрейф до 3 мК за 100 дней при 60 °С). Дисковые термисторы менее стабильны (дрейф до 50 мК за 100 дней при 60 °С).

Термисторы представляют особый интерес для измерения низких температур благодаря своей относительной нечувствительности к магнитным полям. Некоторые типы термисторов могут применяться до температуры минус 100 °С.

Достоинства термисторов: высокая чувствительность сопротивление-температура, малая инерционность, высокое сопротивление, что устраняет необходимость четырех-проводного включения, малый размер, низкая стоимость, высокая стабильность.

Недостатки: нелинейная характеристика, невысокий рабочий диапазон температур (от -60 до +300 °С), взаимозаменяемость только в узком диапазоне температур, необходим источник тока.

Инфракрасные датчики

Серьезным недостатком рассмотренных выше датчиков является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах.

От этих недостатков свободны пирометры – бесконтактные датчики температуры.

Пирометры измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию.

При низких температурах это излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур пирометрами от -45 до +3000 ⁰С.

Законы температурного излучения определены совершенно точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой:

R_α = Aα ^–5(e^B/(αT) – 1) ^–1,

где α – длина волны, T – абсолютная температура, A и B – постоянные.

Для правильного измерения температуры необходимо учесть ряд факторов. Прежде всего, это излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой:

E = 1 – R,

где Е – излучательная способность, R – коэффициент отражения.

Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов.

У абсолютно черного тела излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы, особенно полированные, имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 – 0,2.

Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 ⁰С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения.

В типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящий из объектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта, и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. ЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а, следовательно, и температуры тела.

Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 ⁰С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощью перемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображения нити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры называют также пирометрами с исчезающей нитью.

Напряжение накала лампы (или положение оптического клина) характеризует температуру нагретого тела; для сравнения интенсивностей излучения лишь в узком диапазоне спектра используется специальный светофильтр.

Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение.

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых, обычно, в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 до 4000 ⁰С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами.

Главным преимуществом цветовых пирометров является то, что неполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности изменения температуры. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния до объекта измерения, а также от коэффициента излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн.

Особенности применения пирометров

1. Для правильного измерения температуры необходимо определить и установить излучательную способность измеряемого объекта. Если значения будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно. Обычно показания занижаются. Так, если металл имеет излучательную способность 0,2, а на датчике установлен коэффициент 0,95 (он обычно используется по умолчанию), то при наведении на нагретый до 100 ⁰С металлический объект датчик будет показывать температуру около 25 ⁰С.

Корректировать излучательную способность можно следующими способами:

- определив ее для различных материалов по справочнику,

- измеряя температуру поверхности альтернативным способом, например термопарой, вносить необходимые поправки,

- при не очень высоких температурах можно окрасить специальной термостойкой черной краской измеряемую поверхность,

- просверлить в объекте отверстие диаметром, соответствующим диаметру поля зрения пирометра и глубиной, не менее чем в пять раз больше диаметра. Измерить температуру внутри отверстия пирометром, считая излучательную способность торца отверстия равной 1. Затем навести пирометр на поверхность объекта, и добиться равенства показаний.

2. Между пирометром и объектом не должно быть препятствий, непрозрачных в рабочей области спектра, иначе показания будут занижены. Это относится к работе при наличии в воздухе пыли, дыма или пара, а также при загрязнении оптических поверхностей пирометра.

3. Необходимо, чтобы объект полностью перекрывал поле зрения пирометра. В противном случае поток теплового излучения от объекта уменьшится пропорционально сокращению перекрываемой объектом площади, а также на датчик пирометра будет попадать излучение заднего фона, что резко исказит результаты измерений. Поэтому измерение температуры малых объектов возможно только с близкого расстояния.

Поле зрения пирометра характеризуется оптическим отношением – это отношение расстояния до объекта измерений к размеру области, с которой эти измерения ведутся. Например, оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с которой ведется измерение температуры, составляет 1 метр. Современные пирометры имеют оптическое отношение достигающие 500:1.

Достоинства пирометров: малое время отклика, возможность измерения температуры движущихся объектов, измерение температуры в труднодоступных и опасных местах, измерение высоких температур, там, где другие датчики уже не работают, отсутствует непосредственный контакт с объектом.

Недостатки: значительные размеры, высокая стоимость, измерение только температуры поверхности объекта, трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией