Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3539

.pdf
Скачиваний:
64
Добавлен:
15.03.2016
Размер:
887.44 Кб
Скачать

3539

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

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]