Файл: Введение в курс технические средства автоматизации и управления Лекция 1.pdf

49
Датчики угловых перемещений
Датчики угловых перемещений изменяют механические угловые перемещения в электрические сигналы. Датчики углового перемещения находят широкое применение в измерениях угловых скоростей, углов, линейных перемещений. Датчики углового перемещения делятся на два вида: инкрементальные датчики и датчики абсолютного положения.
Инкрементальные датчики создают информацию относительно положения и угла объекта в виде электрических импульсов, которые соответствуют положению вала. Когда вал неподвижен, передача импульсов прекращается.
Инкрементальные датчики перемещения имеют основной рабочий параметр - количество импульсов на вращение.
Инкрементальные датчики вырабатывают сигнал при изменении углового положения вала относительно исходного состояния. Выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов прямоугольной (реже синусоидальной) формы. Количество импульсов пропорционально изменению углового положения вала и может достигать 5000 на один оборот. Количество импульсов на оборот называют также числом разбиений на оборот. Сигналы синусоидальной формы позволяют осуществлять их интерполяцию, что позволяет обеспечить высокое разрешение датчика (до 36000 импульсов на оборот). Обычно инкрементальные датчики выполняются двух- или трехканальными. На двух выходах таких датчиков формируются последовательности импульсов A и B, сдвинутых по фазе на 90°, что позволяет внешним устройствам определить направление вращения. На третьем выходе формируется нулевой импульс, который выдается один раз на оборот и служит для привязки к определенному
(исходному) состоянию машины.
Датчики абсолютного положения на выходе обеспечивают информацию об абсолютном угловом положении вала. Их преимущество состоит в том, что эти датчики перемещения непосредственно выдают информацию о текущем значении угла и его не требуется вычислять. Датчики угловых перемещений и линейных применяются для: определения размеров, форм и габаритов объекта, определения

50 наличия местоположения и расстояния до объектов, измерения скорости вращения, подсчета количества объектов.
Датчики абсолютного положения обеспечивают на выходе информацию об абсолютном угловом положении вала. Преимущество датчиков абсолютного положения состоит в том, что они непосредственно выдают информацию о текущем значении угла и не требуется вычислять его. При изменении углового положения вала в обесточенном состоянии датчика новое положение может быть считано непосредственно сразу после включении питания. Выходной сигнал представляет собой числовой эквивалент текущего значения угла. Число может быть представлено в двоичном коде или коде Грэя.
Разрядность кода, или разрешение датчика может достигать 14 бит.
Существует 2 типа датчиков абсолютных углов: одно - и многооборотные.
Многооборотные датчики вырабатывают информацию не только о текущем значении угла, но и о количестве оборотов. Разрешение таких датчиков по углу достигает 13 бит, число оборотов - до 4096 (12 бит).
Энкодеры представляют собой датчики угловых перемещений - они преобразуют механические угловые перемещения в электрические сигналы.
Энкодеры находят широкое применение для измерения угловых скоростей, углов, линейных перемещений. Естественно, для измерения линейного перемещения его необходимо преобразовать во вращательное.

51
Энкодеры выпускаются со сплошным и полым валом. Энкодеры с полым валом позволяют более простую их механическую стыковку с приводом с меньшим количеством деталей. Поэтому, несмотря на несколько более высокую стоимость, применение энкодеров с полым валом позволяет в целом уменьшить затраты.
Датчики скорости (частоты вращения).
На сегодняшний день существует большое количество различных датчиков скорости, предназначенных для работы в разных условиях, с разными входными параметрами. Датчики скорости широко применяются в разных отраслях промышленности, сегодня существует много моделей, действующих по разному принципу и способных работать в различных условиях. В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измерители расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик).
Недавно появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие па оптическом эффекте Допплера, которые используют особый вид рассеяния света. В данном случае луч лазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный потоком свет попадает затем на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электрический ток.
Усиленный допплеровский сигнал электронным путём преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряжение. Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не искажается процедурой измерения и профиль потока может быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса.
Однако для любительской практики этот метод непригоден.
Применяется также ультразвуковой датчик скорости, излучающий ультразвуковой сигнал, который при отражении от частиц, движущихся с разной скоростью, дает широкополосный отраженный сигнал, который принимается датчиком. Анализ спектра этого сигнала позволяет рассчитать осредненную скорость потока с учетом неравномерного распределения скоростей по поперечному профилю сечения.
Датчик контроля скорости серии ДКС предназначен в первую очередь для контроля остановки или снижения скорости вращения (движения) различных устройств, таких, как конвейеры, транспортеры, барабаны. Может применяться для выявления аварийного проскальзывания ленты на транспортере.

52
Датчик контроля скорости представляет собой индуктивный датчик со схемой контроля частоты импульсов воздействия и бинарным выходом.
Контролируемый вращающийся объект непосредственно или с помощью соединенного с ним металлического объекта воздействует на чувствительный элемент датчика с частотой, пропорциональной частоте вращения. При нормальной частоте вращения на выходе датчика скорости и на нагрузке есть напряжение. На диаграмме пассивный выходной сигнал соответствует снижению частоты ниже допустимой. Необходимое значение контролируемой минимальной частоты устанавливается с помощью потенциометра.

53
Лекция №7
Средства измерения температуры

Термопара

Термометр сопротивления

Пирометр
Понятие о температуре и о температурных шкалах.
Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.
«... мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться ...» (П. Л. Капица)
В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура
Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия. На практике часто применяют градусы
Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0° C) и температуре кипения (100° C). t= Т-Т
о
(7.1), где Т
о
=273,15 К; t- температура в градусах Цельсия;
Т - температура в Кельвинах.
Температуру, выраженную в градусах Цельсия обозначают «°С».
По размеру единицы физической величины градус Цельсия равен Кельвину.
Температуру измеряют с помощью средств измерений, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. К таким средствам измерений относятся:
- термометры расширения;
- термометры манометрические;
- термометры сопротивления с логометрами или мостами;
- термопары с милливольтметрами или потенциометрами;
- пирометры излучения.

54
Температуру измеряют контактным
(с помощью термометров сопротивления, манометрических термометров и термометров термоэлектрических) и бесконтактным (с помощью пирометров) методами.
Следует помнить:
- наиболее высокая точность измерений температуры достигается при контактных методах измерений;
- бесконтактный метод служит для измерений высоких температур, где невозможно измерять контактными методами и не требуется высокой точности.
Измерительная система температур представляет собой совокупность термометрического преобразователя (датчика) и вторичного измерительного прибора.
Термометрический преобразователь - измерительный преобразователь температуры, предназначенный для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки или (и) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдением.
К термометрическим преобразователям относят:
- термометры сопротивления;
- термоэлектрические термометры (термопары);
- телескоп радиационного пирометра.
Таблица 1
Термометрическое свойство
Наименование устройства
Пределы длительного применения, 0С
Нижний
Верхний
Тепловое расширение
Жидкостные стеклянные термометры
-190 600
Изменение давления
Манометрические термометры
-160 60
Изменение электрического сопротивления
Электрические термометры сопротивления
-200 500
Полупроводниковые термометры сопротивления
-90 180
Термоэлектрические эффекты
Термоэлектрические термометры (термопары) стандартизованные
-50 1600
Термоэлектрические термометры (термопары) специальные
1300 2500
Тепловое излучение
Оптические пирометры
700 6000
Радиационные пирометры
20 3000
Фотоэлектрические пирометры
600 4000
Цветовые пирометры
1400 2800

55
Вторичный измерительный прибор - средство измерений, преобразующее выходной сигнал термометрического преобразователя в численную величину.
В качестве вторичных измерительных приборов используют логометры, мосты, милливольтметры, автоматические потенциометры.
Методы и технические средства измерения температуры
1.
Термометры расширения и термометры манометрические
Жидкостные стеклянные термометры.
Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры – используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).
Жидкостный термометр состоит из стеклянного баллона, капиллярной трубки. Термометрическое вещество заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра о порчи при чрезмерном перегреве.
В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.
Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.
Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей:
1. технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые;
2. лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра;