«ипу имени В. А. Трапезникова ран» (стр. 3 из 17)

Динамической характеристикой устройства называют зависимость, определяющую изменение выходной величины устройства как реакцию на

известное изменение входной величины. Она также может быть выражена формулой или графиком (см. рис. 1.3).

Рис. 1.3. Статические и динамические характеристики приборов

Кривые переходных процессов 1 и 3 — апериодического типа, а кривая 2 — колебательного типа. Кривые показывают, как изменяется выходная величина устройства

, например положение стрелки на шкале при подаче на вход в нулевой момент времени ступенчатого сигнала. Допустим, что манометр до нулевого момента времени воспринимал давление и показывал на шкале соответствующее ему число делений . В нулевой момент времени давление скачкообразно изменилось до значения и далее оставалось неизменным. В ответ на это возмущение стрелка на шкале перемещается во времени соответственно динамическим свойствам прибора до значения . Из рис. 1.3, б видно, что для трех приборов с переходными процессами 1-3 наибольшим быстродействием обладает прибор 1, так как время достижения установившегося нового значения выходной величины после нанесения возмущения минимально.

Динамика измерительного прибора является очень важным свойством. Например, известно, что нагретые заготовки перемещаются по рольгангам достаточно быстро и проходят иногда мимо пирометра за 1-3 с, поэтому быстродействие применяемых в этих случаях приборов должно быть не ниже, чем 0,1-0,5 с.

1.1.3. Измерительные преобразователи

Измерительные преобразователи служат для выработки сигнала информации в удобной для дальнейшей передачи, преобразования и обработки форме и подразделяются на первичные, промежуточные и передающие. Первичные преобразователи являются начальным структурным элементом в измерительной цепи, непосредственно реагирующим на измеряемую физическую величину, поэтому их устройство зависит от особенностей измеряемой величины.

Устройство промежуточных и передающих преобразователей не связано непосредственно с видом контролируемой физической величины. Одни и те же преобразователи используют при измерении различных параметров, т. е. имеют общий характер для многочисленных измерительных систем и потому рассматриваются отдельно в данном параграфе.

Основными промежуточными и передающими преобразователями являются реостатные и потенциометрические, индуктивные и индукционные, токовые, частотные, пневматические.

Реостатные потенциометрические преобразователи (реостаты и потенциометры) представляют собой переменные электрические сопротивления, величина которых зависит от положения токосъемного контакта. Реостаты включаются в цепи, где измеряется их сопротивление, а потенциометры — в цепи, где измеряются напряжения, т. е. переменное сопротивление служит делителем напряжения. Характеристики реостатов и потенциометров выражаются зависимостями:

} , (2)

где R и U — соответственно выходное сопротивление и напряжение преобразователя; х — перемещение контакта.

Наибольшее распространение получили реостаты и потенциометры непрерывной намотки, в которых сопротивлением служит намотанная в один ряд на каркас проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемный контакт. На рис. 1.4 показаны различные типы потенциометрических преобразователей. Каркасы изготовляют из изоляционных материалов — пластмассы, текстолита, керамики и т. п.; для намотки применяют проволоку из благородных металлов (платины, золота, палладия), а также из константана, манганина, нихрома.

Рис. 1.4. Потенциометрические преобразователи: а — с каркасом в виде стержня;

б — с кольцевым каркасом; в — с дуговым каркасом

Использование потенциометров в измерительных цепях может привести к возникновению погрешностей по следующим причинам. Во-первых, из-за наличия зоны нечувствительности, вызванной тем, что перемещение контакта в пределах одного витка проволоки не вызывает изменения выходного сигнала; это особенно ощутимо при использовании толстой проволоки. Во-вторых, из-за неравномерности характеристики, которая может быть вызвана непостоянством диаметра, удельного сопротивления провода, шага намотки, натяжения провода и т. п. В-третьих, из-за люфтов в механизме перемещения контакта.

При использовании потенциометров в качестве делителей напряжения следует учитывать влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение, т. е. влияние нагрузки на статическую характеристику преобразователя. На рис. 1.5 приведены схема потенциометра и графики его статических характеристик при различных сопротивлениях нагрузки.

Рис. 1.5. Статические характеристики потенциометрического преобразователя

На потенциометр

подано напряжение питания . Входной величиной преобразователя является положение подвижного контакта, определяемое относительным перемещением l. Выходной величиной служит напряжение , снимаемое с сопротивления нагрузки . На графике нанесено несколько статических зависимостей при различных соотношениях сопротивлений нагрузки и потенциометра . Аналитическое выражение статической характеристики имеет вид:

. (3)

Из графиков и формулы следует, что линейный вид характеристика имеет лишь при бесконечно большом сопротивлении нагрузки, т. е. при

.

Разновидностями реостатов и потенциометров являются так называемые ламельные устройства, где подвижный контакт скользит по неподвижным контактам (ламелям), к которым припаяны постоянные сопротивления. В таких устройствах сопротивление изменяется в широких пределах при значительных его величинах (несколько сотен и тысяч килоом). В ряде измерительных схем используются функциональные потенциометры, в которых сопротивление связано с перемещением контакта не линейно, а реализует какую-либо функциональную зависимость. Это достигается переменным шагом намотки или намоткой проволоки на профилированный каркас, что дает переменную длину витка и, следовательно, переменное сопротивление при линейном перемещении контакта. Основной недостаток реостатных и потенциометрических преобразователей связан с наличием электрического подвижного контакта, т. е. связан с возможностью его износа, загрязнения, разрыва. Этого недостатка лишены индуктивные и индукционные преобразователи.

Индуктивные преобразователи служат для преобразования перемещения в изменение индуктивности, а индукционные — для преобразования перемещения в изменение взаимной индукции между двумя или более катушками. Принципиальная схема индуктивного преобразователя показана на рис. 1.6, а.

Рис. 1.6. Индуктивный преобразователь

Индуктивный преобразователь представляет собой электромагнитную цепь, состоящую из катушки 1, намотанной на неподвижном сердечнике 2, и подвижного сердечника 3. При изменении положения подвижного сердечника (входная величина) относительно неподвижного меняется магнитное сопротивление воздушных зазоров δ и индуктивности катушки L. Эта зависимость выражается формулой:

, Гн, (4)

где

- частота тока, Гц;

, - соответственно магнитное сопротивление стальных участков цепи и зазоров;

. (5)

Здесь S – площадь зазора, см²;

- магнитная проницаемость воздушного зазора, Гн/м.

Из формул (4) и (5) следует, что при прочих неизменных условиях индуктивность зависит только от величины воздушного зазора, т. е. от перемещения подвижного сердечника.

На рис. 6, б приведен пример выполнения индуктивного преобразования с одной катушкой 1. охватывающей перемещающийся внутри нее сердечник 3.

Для увеличения чувствительности применяют преобразователи с двумя катушками (рис. 6, в). В среднем положении сердечника сигнал на выходе равен нулю, а при переходе сердечника через среднее положение сигнал меняет фазу на 180°.