3539
.pdf3539 |
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
Кафедра автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОСТАТНОГО ДАТЧИКА ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 по дисциплине «Теоретические основы автоматики, телемеханики и связи»
для студентов специальности 190901 «Системы обеспечения движения поездов» очной и заочной форм обучения
Составители: Л.А. Плешакова И.Г. Куликова
Самара
2014
1
УДК 656.25
Исследование реостатного датчика линейных перемещений : методические ука-
зания к выполнению лабораторной работы № 1 по дисциплине «Теоретические основы автоматики, телемеханики и связи» для студентов специальности 190901 СОДП очной и заочной форм обучения / составители : Л.А. Плешакова, И.Г. Куликова. – Самара :
СамГУПС, 2014. – 34 с.
В методических указаниях приведены сведения из теории и описание принципа работы реостатных датчиков механических перемещений, их основные свойства и характеристики. Даны подробные указания по проведению экспериментов, выполняемых при исследовании датчика.
Методические указания предназначены для студентов очной и заочной форм обучения.
Утверждены на заседании кафедры 16.09.14 г., протокол № 1. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.
Составители: Плешакова Лариса Александровна Куликова Ирина Геннадьевна
Рецензенты: д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Электротехника» СамГУПС А.Е. Дубинин; к. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Автоматика, телемеханика и
связь на железнодорожном транспорте» СамГУПС В.Б. Гуменников
Под редакцией составителей
Подписано в печать 27.11.2014. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 2,1. Тираж 100 экз. Заказ 247.
© Самарский государственный университет путей сообщения, 2014
2
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение....................................................................................................................... |
4 |
|
1. |
Цель работы........................................................................................................... |
5 |
2. |
Сведения из теории............................................................................................... |
5 |
|
2.1. Общие сведения о датчиках......................................................................... |
5 |
|
2.2. Реостатные датчики.................................................................................... |
10 |
|
2.3. Индуктивные и емкостные датчики механических перемещений ........ |
27 |
3. |
Оборудование и приборы................................................................................... |
29 |
4. |
Программа выполнения работы......................................................................... |
31 |
|
4.1. Подготовка к работе.................................................................................... |
31 |
|
4.2. Экспериментальная часть работы ............................................................. |
31 |
5. |
Содержание отчета.............................................................................................. |
33 |
6. |
Контрольные вопросы ........................................................................................ |
34 |
Библиографический список...................................................................................... |
34 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Теоретические основы автоматики и телемеханики» (ТОАТ) относится к базовой части профессионального цикла ООП СОБД 190901 (С3.Б14).
Для успешного освоения дисциплины студент должен знать: основные физические законы в области электричества; методы математического анализа; особенности управления объектами ТКС, автоматики и электроснабжения; основы схемотехники; основы работы на ПК в современных операционных системах. Студент должен быть хорошо подготовлен в материале дисциплин: «Высшая математика», «Физика», «Теоретические основы электротехники», «Электроника», «Электрические машины», «Теория дискретных устройств».
Дисциплина «ТОАТ» является предшествующей для следующих дисциплин: «Автоматика и телемеханика на перегонах», «Автоматизация систем электроснабжения», «Диспетчерская централизация», «Системы коммутации в сетях связи».
В результате освоения дисциплины «ТОАТ» студент должен
-знать: основные понятия и методы математического анализа; математические основы построения моделей, способы компьютерного проектирования и моделирования устройств электроснабжения, железнодорожной автоматики и телемеханики, а также методы теоретических и экспериментальных исследований элементов и устройств электроснабжения, железнодорожной автоматики и телемеханики;
-уметь: применять математические методы анализа при проведении исследований устройств; грамотно использовать физические законы и вычислительную технику для практических задач; применять компьютерное имитационное моделирование для решения профессиональных задач;
-владеть: опытом организации и проведения экспериментальных исследований и испытаний устройств обеспечения движения поездов; основными методами работы на ПК с прикладными программными средствами для проектирования и моделирования элементов и устройств.
Лабораторная работа № 1 посвящена изучению реостатного датчика линейных перемещений. Экспериментальная часть лабораторной работы № 1 рассчитана на два академических часа. К ее выполнению студент допускается только после проверки усвоения необходимой теории.
Сведения об устройстве различных датчиков содержатся в специальной литературе
исправочниках [1–5]. В основе работы исследуемых схем лежат законы электротехники, изучаемые в курсах физики и ТОЭ. Расчет этих схем производится методами, рассмотренными в курсе ТОЭ. Поэтому данная лабораторная работа, как и все другие лабораторные работы по курсу ТОАТС, дает возможность еще раз убедиться в необходимости знания методов расчета электрических цепей, изучаемых в ТОЭ, дает повод вспомнить некоторые из этих методов и применить их при решении практических задач.
4
Отчет по работе каждый студент оформляет индивидуально. При подготовке к лабораторной работе следует прежде всего ознакомиться с программой выполнения работы (п. 4) и содержанием отчета (п. 5).
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение принципа действия и конструкции реостатного датчика линейных перемещений, исследование его характеристик, экспериментальная проверка расчетных соотношений.
2.СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
2.1.Общие сведения о датчиках
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразовате-
лями) являются элементами многих систем автоматики и телемеханики. С их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.
Например, во многих случаях требуется иметь информацию о температуре в какомлибо механизме или агрегате (в двигателе, в печи и т. д.). Иногда это можно сделать с помощью обычного термометра, например, жидкостного, принцип работы которого основан на тепловом расширении жидкости (такие термометры относят к термометрам непосредственного отсчета, поскольку они имеют шкалу, проградуированную в единицах температуры, позволяющую непосредственно по уровню жидкости отсчитывать значение температуры). Это, в частности, медицинские, климатические и другие термометры. Поместив такой термометр в контролируемую среду, через определенное время (необходимое для того, чтобы температура жидкости в термометре стала близка к температуре среды) можно определить температуру среды, сопоставив уровень жидкости со шкалой.
Однако во многих случаях, особенно в системах автоматики и телемеханики, использовать термометры такого типа неудобно или принципиально невозможно. В частности, сложно измерить температуру жидкости в системе охлаждения двигателя, в плавильной печи и т. д. Очень часто требуется не только измерить температуру, но и передать информацию о температуре на определенное расстояние.
Например, в автомобиле информация о температуре охлаждающей жидкости двигателя (или масла в нем) должна отображаться на панели приборов непосредственно перед водителем, поэтому с помощью обычного жидкостного термометра получить эту информацию невозможно. Чтобы передать информацию о температуре на расстояние, эту информацию необходимо представить в виде некоторого сигнала, удобного для измерения и передачи на расстояние. Чаще всего используют электрический сигнал, который можно передавать по проводам в виде напряжения или тока.
5
Поэтому температуру обычно преобразуют в напряжение (или ток), которое измеряют с помощью вольтметра (или амперметра). Поскольку каждому значению температуры соответствует вполне определенное значение напряжения (тока), то шкалу вольтметра (амперметра) можно проградуировать в единицах температуры и по этой шкале оценивать температуру в контролируемой среде. Для преобразования температуры в напряжение служат специальные измерительные преобразователи, называемые датчиками температуры. В качестве таких датчиков используют резисторы, сопротивление которых существенно зависит от температуры (терморезисторы), термопары и др.
Существует большое количество разнообразных датчиков для измерения различных физических величин. В том же автомобиле имеются: датчик давления масла в двигателе, датчик частоты вращения вала двигателя, датчик скорости движения автомобиля, датчик уровня топлива и т. д. Все эти параметры также передаются на панель приборов с помощью электрических сигналов. Без датчиков невозможно построение систем автоматического управления какими-либо процессами или агрегатами, поскольку в основе такого управления лежит информация о процессах, поступающая в устройство управления.
Широкое применение находят различные датчики и в системах железнодорожной автоматики и телемеханики. Примером такого датчика является рельсовая цепь (РЦ), которая служит для контроля свободности участка пути от подвижного состава и контроля целостности рельсовых линий. Поскольку участок пути может находиться далеко от диспетчера, регулирующего движение, то непосредственно определить, занят или не занят этот участок составом, диспетчер не может. Поэтому информацию о состоянии участка преобразуют с помощью РЦ в электрические сигналы, которые поступают в диспетчерский пункт и управляют индикаторами светового табло, отображающего состояние всех объектов диспетчерского участка. Эти сигналы используют также в системах автоблокировки для управления огнями светофоров. Принцип работы РЦ рассмотрен в [1, с. 15].
Помимо передачи на расстояние, информацию об измеряемых параметрах бывает необходимо хранить, регистрировать, обрабатывать и т. д. Выполнение этих функций также во многих случаях невозможно без использования датчиков. Например, для получения графика изменения температуры в течение суток в каком-либо географическом пункте (например, на метеостанции) принципиально можно производить измерения с помощью обычного жидкостного (например, спиртового) термометра с периодичностью в один час, регистрировать данные в журнале, и по этим данным построить график.
Если же процесс сбора и регистрации данных о температуре требуется автоматизировать, то без датчика температуры это сделать нельзя. Без датчика температуры невозможно, например, получить график изменения температуры в процессе взрыва или сгорания горючей смеси в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания. Для этих целей с помощью датчика (причем малоинерционного) следует преобразовать температуру в электрический сигнал, а сигнал наблюдать на экране осциллографа, записать в память компьютера, на магнитную ленту или зарегистрировать каким-либо другим способом.
6
Из рассмотренных примеров видно назначение датчика.
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.
Например, в электрических холодильниках датчик температуры осуществляет включение и отключение электродвигателя компрессора, т. е. осуществляет управление процессом поддержания температуры в заданных пределах; в автомобиле датчик температуры, установленный на двигателе, включает и отключает вентилятор системы охлаждения двигателя, что предотвращает перегрев двигателя).
Остановимся на некоторых вопросах классификации датчиков.
В зависимости от вида входной (измеряемой) величины (X) различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления, влажности и др.
По виду выходной величины (Y), в которую преобразуется входная величина, различают: 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.
Действие всех датчиков основано на использовании различных физических, химических и других явлений, для которых существует однозначная функциональная связь между двумя физическими величинами.
Если при построении датчика удается подобрать и без больших технических трудностей использовать какое-либо явление, которое позволяет непосредственно преобразовать входную (измеряемую) величину X в выходную величину Y, то датчик, построенный на основе этого явления, называют датчиком с непосредственным преобразованием. В
таком датчике происходит только одно преобразование физических величин. Характерным примером такого датчика является термопара, состоящая из двух со-
единенных между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников). Если контакты (спаи) этих элементов имеют разную температуру, то в цепи термопары возникает ЭДС (термоЭДС), значение которой зависит от разности температур «горячего» и «холодного» спаев. Помещая «горячий» спай в контролируемую среду, можно непосредственно преобразовать температуру этой среды в ЭДС, а вольтметр, измеряющий ЭДС, проградуировать в единицах температуры.
Если не удается найти явление, связывающее измеряемую величину X и нужную выходную величину Y, то величину X можно преобразовать в некоторую промежуточную величину Z, которую далее преобразуют в выходную величину Y. Промежуточных преобразований может быть несколько.
7
Датчики такого типа называют датчиками с промежуточным преобразованием.
Эти датчики как бы состоят из нескольких датчиков с непосредственным преобразованием, работающих последовательно, т. е. выходная величина одного из них является входной величиной другого.
Примером может служить датчик давления газа или жидкости, преобразующий изменение этого давления в изменение какого-либо параметра электрической цепи (сопротивления R, индуктивности L или емкости C). Давление с помощью упругой мембраны можно преобразовать в перемещение (с увеличением давления на поверхность мембраны ее деформация увеличивается). Деформацию, т.е. перемещение, легко преобразовать в изменение параметров R, L или C (см. пп. 2.2 и 2.3).
В некоторых случаях для непосредственного преобразования X в Y может существовать какое-либо физическое явление, однако его использование сопряжено со значительными техническими трудностями. В таких случаях также целесообразнее построение датчика с промежуточным преобразованием.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические.
Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т. е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков – они генерируют электрический сигнал). Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее, дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей).
Примером генераторного датчика служит уже рассмотренная термопара, непосредственно преобразующая изменение температуры в изменение напряжения, т.е. тепловую энергию в электрическую. Генераторными являются также пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.
Параметрические датчики входную величину X преобразуют в изменение какоголибо электрического параметра (R, L или C) датчика. К параметрическим относят и контактные датчики (см. [1], с. 3). Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.
Наиболее часто используют измерительные цепи последовательного включения, цепи в виде делителей напряжения и цепи в виде электрических мостов. Примеры таких цепей применительно к реостатному датчику рассмотрены в п. 2.2.
8
Основной характеристикой датчика служит его характеристика преобразования (называемая также функцией преобразования, статической характеристикой), выражающая связь между выходной (Y) и входной (X) величинами в установившемся режиме:
Y = Y(X).
При этом величиной Y может быть не только выходная величина самого датчика, но и выходной сигнал измерительной цепи, с помощью которой производится преобразование X в Y (в случае использования, например, параметрических датчиков).
Характеристика Y(X) может быть задана аналитически, в виде таблиц или графиков. Для конкретного типа датчика ее можно определить экспериментально или в результате расчета на основе закономерностей, которым подчиняется физическое явление, положенное в основу работы датчика.
На характеристику преобразования Y(X) реального датчика могут влиять различные внешние факторы (напряжение питания измерительной цепи, подключение нагрузки, изменение температуры окружающей среды и т. д.). В результате реальная характеристика Y(X) отличается от характеристики преобразования, соответствующей номинальным режимам работы датчика, и которую можно рассматривать как некоторую идеальную характеристику преобразования. Отклонение реальной характеристики преобразования от идеальной представляет собой погрешность преобразования (измерения).
Различают абсолютную погрешность ( Y), выражаемую в единицах выходной величины Y:
Y = Y −Yн , |
(1) |
а также относительную погрешность (δ), которую обычно определяют как отношение абсолютной погрешности к разности предельных значений выходной величины и выражают в долях единицы или в процентах:
δ = |
Y |
|
|
|
, |
(2) |
|
|
|||
|
Yмакс − Yмин |
|
где Y – фактическое значение выходной величины датчика, соответствующее реальной характеристике преобразования; Yн – значение выходной величины, определяемое по идеальной характеристике преобразования при том же значении X; Yмакс и Yмин – максимальное и минимальное значения выходного сигнала датчика (измерительной цепи).
Несмотря на большое разнообразие датчиков, им присущи некоторые общие свойства, которые можно рассмотреть на примере датчиков механических перемещений, широко используемых и как самостоятельные датчики, и как составные элементы более сложных датчиков. В настоящее время в основном применяют реостатные, индуктивные и емкостные датчики перемещений.
9
2.2. Реостатные датчики
Реостатный датчик – это прецизионный (особо точный) реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной X датчика является линейное или угловое перемещение движка (отсюда и название датчика – датчик перемещений), выходной – изменение его сопротивления.
На рис. 1 схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных датчиков для линейного и углового перемещений. Датчики состоят из каркасов, на которые намотан провод, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и токосъемного движка (контактной щетки), который касается провода.
а) |
б) |
|
Рис. 1 |
Для обеспечения электрического контакта обмотка в месте касания зачищается от изоляции. Движок прижимается к обмотке за счет силы упругости. Далее будем рассматривать только датчики линейных перемещений. Все полученные результаты справедливы и для датчиков угловых перемещений.
Далее реостатный датчик линейных перемещений будем условно изображать в виде переменного резистора (рис. 2), длина l которого соответствует длине обмотки реостата (рис. 1, а). Перемещение X обычно привязывают к перемещению движка реостата относительно начала (рис. 2, а) или середины (рис. 2, б) его обмотки. Если за положительное направление перемещения X считать перемещение движка слева направо, то в первом случае (рис. 2, а) значение X изменяется от нуля до l, а во втором (рис. 2, б) – от –l/2 до
+l/2 (при этом X = 0, когда положение движка соответствует |
середине обмотки). |
||||||
l |
l |
||||||
|
|
l/2 |
|
|
|||
|
|
|
l/2 |
|
|||
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|||||
|
|
|