Принципы построения измерительных преобразователей
4.1. Структурные схемы измерительных преобразователей
Несмотря на все многообразие ИП, их структурные схемы можно свести к нескольким типам (табл. 4.1).
Структурная схема прямого однократного преобразования реализуется во многих ИП с естественными выходными сигналами (например, в термопарах, датчиках давления и разрежения), в которых измеряемая величина преобразуется непосредственно в электрический сигнал, перемещение или усилие. Статическая характеристика, погрешность и другие свойства здесь полностью определяются параметрами самого чувствительного элемента.
В тех случаях, когда первичное преобразование не позволяет получить удобный или требуемый для дальнейшего использования сигнал, применяют структурные схемы с несколькими последовательными преобразованиями, например при необходимости получение унифицированного выходного сигнала, преобразования неэлектрической величины в электрическую, коррекции статической или динамической характеристики преобразователя. Суммарный коэффициент преобразования (общая чувствительность), равный произведению коэффициентов преобразования отдельных звеньев ИП, можно получить достаточно высоким, однако при этом увеличивается общая погрешность преобразования, равная сумме погрешностей составляющих звеньев.
В датчиках, построенных по дифференциальной схеме, измеряемая величина подается одновременно на два идентичных измерительных преобразователя. Выходной сигнал датчика пропорционален разности выходных сигналов ИП каждого из каналов. Если выходные сигналы имеют одинаковые знаки, то орган сравнения выполняет операцию вычитания, если знаки разные — операцию суммирования.
Возможны варианты, когда на один из входов подается эталонный сигнал и сравнение осуществляется с ним или информация преобразуется по одному каналу в реальных условиях, а по другому — в эталонных.
* Примечание. В формулах приняты следующие обозначения: x — измеряемая величина; у — выходная величина; δi — погрешность звена преобразователя; δП — общая погрешность преобразователя; K — коэффициент преобразования
К достоинствам дифференциальных схем построения датчиков следует отнести: значительное уменьшение аддитивных (постоянных) составляющих общей погрешности, обусловленных воздействием возмущающих факторов; увеличение чувствительности вдвое при подаче входного сигнала на оба входа; получение реверсивной статической характеристики; снижение нелинейности статической характеристики и постоянных составляющих выходного сигнала по сравнению с характеристиками отдельных ИП, входящих в схему.
Наиболее совершенной схемой ИП является схема с обратной связью, или компенсационная схема. В датчиках, построенных по этой схеме, обеспечивается автоматическое уравновешивание контролируемой величины компенсирующей величиной того же рода непосредственно или после предварительного преобразования. Основное достоинство такой схемы состоит в ее способности компенсировать значительные изменения параметров измерительного тракта. Кроме того, основная часть энергии, необходимой для работы датчика, берется от дополнительных источников, а не от измерительного элемента.
Преобразователи с отрицательной обратной связью принципиально точнее, чем схемы прямого последовательного преобразования. Отрицательная обратная связь существенно снижает влияние погрешностей звеньев прямой цепи на результат преобразования. Любые ошибки и возмущение звена, не охваченного обратной связью, полностью передаются на выход преобразователя, поэтому при'построении ИП целесообразно стремиться к тому, чтобы охватить обратной связью как можно больше звеньев. При величине K 1 K 2 = 20...30, что нетрудно обеспечить на практике, общая погрешность преобразования практически определяется только погрешностью δ2 обратной связи, вследствие чего требования к погрешности δ1 прямого канала можно значительно снизить (см. табл. 4.1).
Датчики с обратной связью обладают высокой чувствительностью и позволяют легко изменять параметры настройки путем изменения коэффициентов преобразования обратной цепи.
Структурные схемы реальных ИП могут представлять собой любую комбинацию из рассмотренных выше типовых структур. В цепи последовательного преобразования измеряемого сигнала принято различать первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) и промежуточные преобразователи (рис. 4.1). Измеряемая величина воздействует непосредственно на первичный преобразователь. Очень часто метод первичного преобразования входной величины определяет наименование всего измерительного преобразователя -или прибора. Промежуточные преобразователи могут выполнять функции усиления, линеаризации, преобразования рода сигнала и др. В частности, на рис. 4.1 представлена упрощенная схема ИП с естественным и унифицированным выходами.
4.2. Унификация и стандартизация измерительных преобразователей
В отечественном приборостроении вопросы унификации и стандартизации измерительных преобразователей решаются в рамках Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации. Для того чтобы создавать сложные информационные системы (управляющие, измерительные), необходимо в первую очередь обеспечить информационную совместимость технических средств. С этой целью в рамках ГСП сначала были унифицированы, а затем и стандартизированы выходные сигналы ИП (ГОСТ 26.010— 83, 26.011-83, 26.013-83, 26.014-83).
По виду выходных сигналов различают измерительные преобразователи с естественным и унифицированным выходными сигналами. Первые представляют собой устройства, в которых осуществляется первичное (обычно однократное) преобразование измеряемой физической величины. Естественное формирование сигнала здесь обеспечивается методом преобразования и конструкцией ИП. Такие преобразователи чаще всего применяют в устройствах прямого регулирования либо при централизованном контроле сравнительно простых объектов. В ГСП приняты десять типов естественных выходных сигналов (рис. 4.2).
При создании относительно сложных систем с использованием ЭВМ и необходимости передачи сигналов на большие расстояния применяют преобразователи естественных сигналов в унифицированные. Для этих целей разрабатываются специальные нормирующие преобразователи, параметры выходных сигналов которых приведены на рис. 4.2.
Отдельную группу составляют преобразователи с дискретным (релейным) выходным сигналом, контактная группа которых изменяет свое положение при достижении измеряемой величиной заданного значения. Их применяют для позиционного регулирования и сигнализации.
Глава 5
ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ВЫХОДНЫМИ СИГНАЛАМИ
5.1. Основные понятия
Одним из главных элементов в любой системе автоматики и телемеханики являются электрические датчики. Назначение датчика — преобразование контролируемой или регулируемой величины в величину другого рода, удобную для дальнейшего использования. В большинстве случаев датчики преобразуют неэлектрическую величину в электрическую, например температура преобразуется при помощи термопары в ЭДС, а механическое перемещение, связанное с изменением положения якоря электромагнита, изменяет индуктивность его обмотки. В некоторых случаях с помощью датчиков производится преобразование одних электрических величин в Другие. В качестве таких датчиков могут служить усилитель, измерительный трансформатор или фазочувствительная схема.
По характеру электрических величин, получаемых на выходе, электрические датчики делятся на параметрические, или пассивные, и генераторные, или активные. К параметрическим датчикам относятся такие элементы, у которых изменение контролируемой величины вызывает соответствующее изменение параметра электрической цепи (активного сопротивления, индуктивности или емкости). К генераторным относятся такие датчики, которые сами являются источниками электрической энергии, причем возникающая на выходе энергия пропорциональна контролируемой величине.
К электрическим датчикам независимо от типа и устройства предъявляются следующие основные требования:
надежность в работе;
достаточная чувствительность, что позволяет существенно упростить схему системы, например автоматического контроля. В этом случае отпадает необходимость в усилении сигнала, точность системы повышается;
непрерывная зависимость его выходной величины y от входной x, т. е. y = f ( x ), где x — контролируемая величина, а y — выходная, изменяющаяся от величины x;
минимальные габаритные размеры и вес;
необходимый диапазон изменения параметров;
отсутствие обратного воздействия датчика на измеряемый процесс. Так, например, при изменении температуры контролируемой среды из-за наличия в ней датчика может появиться значительная погрешность измерения;
небольшая инерционность (интервал времени между изменением входной величины и соответствующим изменением выходной величины);
работа в заданных условиях окружающей среды.
На работу электрических датчиков оказывают влияние следующие факторы: периодичность и максимальная частота процесса, знакопеременность кривой изменения процесса и наличие в ней постоянной составляющей, температурные условия места измерения, атмосферные условия (влажность, температура воздуха и т.д.), наличие вибрации, ускорений или сотрясений в установке и др.
5.2. Электроконтактные датчики
Контактные датчики — это датчики параметрического типа, в которых изменяется электрическое сопротивление при изменении той или иной механической величины. Они предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. При достижении измеряемой величиной определенного значения замыкаются или размыкаются электрические контакты, включенные в те или иные цепи, которые сигнализируют, что перемещение больше или меньше определенного значения.
Контактные датчики широко применяются в системах автоматического контроля и сортировки размеров, а также в системах автоматической сигнализации различных физических величин. Статическая характеристика контактного датчика имеет релейный характер, так как его выходная величина — сопротивление электрической цепи — изменяется скачком.
На рис. 5.1, а изображен простейший контактный датчик с одной парой контактов — однопредельный. Замыкание контактов/и 2 происходит в результате изменения размера изделия И. Если размер изделия И увеличивается, то измерительный щуп 3 перемещается вверх, в результате чего контакты 1 и 2 приходят в соприкосновение. При этом активное сопротивление между контактами 7 и 2 изменяется от бесконечности до ничтожно малого значения, определяемого контактным сопротивлением. Выводы датчика подключаются к сигнальному устройству. Пружина 4 соединяет измерительный щуп 3 с одним из выводов.
На рис. 5.1, б изображен двухпредельный контактный датчик — с двумя парами контактов, способный реагировать на перемещение щупа в обе стороны от начального (нулевого) положения. Подобные датчики широко используются для автоматического контроля размеров деталей и подсчета количества выпускаемой продукции.
Многопредельный контактный датчик с несколькими парами контактов показан на рис. 5.1, в. Его контакты 1, 2' и 3' замыкаются последовательно друг за другом в зависимости от размеров деталей. Стрелка измерительного прибора, включенного на выходе датчика, показывает три размера.
Иногда контактные датчики могут работать либо на замыкание (размыкание) всей цепи, либо на замыкание части одного из сопротивлений R резистора цепи (рис. 5.1, г).
5.3. Потенциометрические датчики
Измерительные преобразователи, выполненные в виде реостата, подвижный контакт которого перемещается под воздействием входной измеряемой величины, называются реостатными измерительными преобразователями. Чаще всего реостатные ИП включаются в измерительную цепь по схеме потенциометра, поэтому в ряде источников используется термин «потенциометрические преобразователи».
Выходной величиной ИП является электрическое сопротивление, функционально связанное с положением подвижного контакта. Реостатные преобразователи служат для преобразования угловых или линейных перемещений в соответствующее изменение сопротивления, тока или напряжения. Так как в перемещение могут быть преобразованы многие неэлектрические величины (давление, расход, уровень и др.), то реостатные преобразователи очень часто используют в качестве промежуточных преобразователей неэлектрических величин в электрические.
В зависимости от материала чувствительного элемента реостатные преобразователи разделяются на проволочные и непроволочные.
В устройствах автоматики широко применяют проволочные реостатные преобразователи, которые отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования, имеют малое переходное сопротивление, низкий уровень собственных шумов, малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС). К их недостаткам относятся низкая разрешающая способность, сравнительно невысокое сопротивление (до десятков кОм), ограниченная возможность применения на переменном токе, обусловленная остаточными индуктивностью и емкостью намотки.
В зависимости от конструктивного исполнения различают реостатные преобразователи с поступательным и вращательным перемещением подвижного контакта. Последние, кроме того, делятся на одно- и многооборотные.
Конструктивно реостатные преобразователи (рис. 5.2, а, б) состоят из каркаса 1, обмотки из изолированного провода 2 и токосъемного контакта 3 в виде щетки или движка, скользящего по виткам провода, очищенного от изоляции.
Каркас выполняется из изоляционного материала и может иметь форму стержня, кольца, изогнутой пластины. Материал каркаса должен сохранять свои размеры в широком температурном диапазоне, условиях повышенной влажности и химической загрязненности атмосферы. Кроме того, каркасы должны обладать высокой теплопроводностью, что позволяет увеличивать рассеиваемую в преобразователе мощность. В качестве изоляционного материала используют гетинакс, текстолит, керамику или металл, покрытый непроводящим слоем оксида.
Обмотку выполняют изолированным проводом виток к витку или с заданным шагом /ш. Материал обмотки должен отвечать следующим требованиям: высокое удельное электрическое сопротивление, высокая коррозионная стойкость, стабильность характеристик во времени, малый ТКС, большая прочность на разрыв и истирание. В качестве обмоточного провода применяют константан и манганин, а при работе в условиях повышенных температур — железо- и никельхромовые сплавы. В особо ответственных или специфических условиях работы применяют сплавы из благородных металлов: платины с иридием, платины с палладием и др. Например, добавка иридия к платине увеличивает ее твердость, износоустойчивость, химическую стойкость, коррозионную стойкость. Диаметр провода зависит от точности и сопротивления преобразователя: 0,01...0,10 мм для датчиков высокого класса; 0,1...0,4 мм — для датчиков низкого класса. Обмоточный провод покрывают слоем эмали или слоем оксидов.
Подвижный контакт (щетка, движок) выполняют в виде двух-трех параллельных проволочек диаметром 0,1 ...0,2 мм, несколько отличающихся по длине (для прецизионных реостатных преобразователей), или из специально профилированной пластины с разрезами. Ширина контактной поверхности щетки должна быть равна двум-трем диаметрам проволоки чувствительного элемента.
Изготавливают щетку либо из чистых металлов (платины, серебра), либо из сплавов (платины с иридием или бериллием, фосфористой бронзы и др.). Материал щетки должен быть несколько мягче материала проволоки, чтобы проволока не перетиралась. Щетка прижимается к обмотке с усилием (0,5... 15,0) • 10-2 Н.
Допустимая плотность тока в обмотке зависит от материала провода и условий его охлаждения. При использовании манганина или константана рабочая температура преобразователя может достигать 40... 50 °С при плотности тока в обмотке около 10 А/мм2 для каркаса из пластиковых материалов или 25... 30 А/мм2 для металлического каркаса. Использование обмоточного провода из благородных материалов допускает рабочую температуру в пределах 70... 80 "С и плотность тока 40... 50 А/мм2 при металлическом каркасе.
К зажимам обмотки реостата подключается напряжение U постоянного или переменного тока неизменного значения. При перемещении движка выходное напряжение U ВЫХ меняется пропорционально входной величине X . Таким образом осуществляется преобразование перемещения в напряжение (рис. 5.2, в). Учитывая, что по конструктивным особенностям R = l , r = X , где R — полное сопротивление преобразователя; l — длина намотки обмотки; r — сопротивление части обмотки, приходящейся на перемещение X движка реостата, функция преобразования будет иметь вид
где K — коэффициент преобразования.
Для преобразователя углового перемещения в режиме холостого хода функции преобразования U ВЫХ = Kφ, где φ - угол поворота движка от нулевого положения (см. рис. 5.2, б).
Анализ полученных выражений для функций преобразования показывает, что статическая характеристика линейных потенциометров при отсутствии нагрузки представляет собой прямую, проходящую через начало координат под углом α = arctgK (рис. 5.2, г).
Как следует из приведенной статической характеристики, рассмотренные преобразователи относятся к однотактным элементам, т е. они не реагируют на знак входного сигнала. В ряде случаев необходимы преобразователи, учитывающие знак входного сигнала, — двухтактные измерительные преобразователи. Их можно построить на основе однотактных потенциометрических преобразователей, если снимать выходной сигнал с движка и средней точки потенциометра или с диагонали мостовой схемы, образованной двумя потенциометрическими датчиками со средней точкой. Два возможных варианта включения потенциометрических датчиков по двухтактной схеме приведены на рис. 5.3, а, б. Их статические характеристики соответственно 1 и 2 (рис. 5.3, в) имеют разную крутизну. Это объясняется тем, что при включении преобразователей по мостовой схеме (см. рис. 5.3, б), изменение входного сигнала отрабатывается двумя движками, смещающимися в разные стороны от средней точки, что приводит к появлению удвоенного выходного напряжения по сравнению со схемой, представленной на рис. 5.3, а.
Реальные характеристики реостатных преобразователей значительно отличаются от рассмотренных идеальных из-за различных погрешностей: дискретности выходного сопротивления; отклонения функции преобразования от расчетной, вызванного непостоянством диаметра намоточного провода и его удельного электрического сопротивления; изменения температуры преобразователя; влияния сопротивления нагрузки и других факторов.
При перемещении движка сопротивление включенной части потенциометра изменяется дискретно с шагом, равным сопротивлению одного витка:
где R — сопротивление реостата; w — число витков обмотки.
Соответственно изменяется и выходное напряжение. Это явление определяет два фактора: порог чувствительности и зону нечувствительности. Если их рассматривать относительно входного перемещения, то численно они будут равны диаметру провода обмотки типа «виток к витку» или шагу намотки lш при расположении витков с зазором.
Статическая характеристика с учетом дискретности изменения сопротивления имеет ступенчатый вид (рис. 5.4). Если за идеальную характеристику принять прямую, проходящую через середины ступенек, то абсолютная погрешность дискретности или зона нечувствительности в зависимости от формы представления характеристики (в функции сопротивления, перемещения или напряжения) будет определяться выражениями
Соответственно выражения для относительных погрешностей примут вид
В реальных конструкциях линейных реостатных преобразователей число витков составляет около 2000 (минимально около 200), а погрешность дискретности соответственно равна 0,02...0,03 %. Суммарная погрешность, вызванная непостоянством электрических параметров преобразователя, достигает 0,03...0,10%. Температурная погрешность, определяемая прежде всего ТКС намоточного провода, не превышает обычно 0,1 % на 10 °С.
Наибольшую погрешность может обусловить неправильно выбранный режим работы преобразователя — малое сопротивление нагрузки. Реостатный преобразователь с подключенной нагрузкой RH (рис. 5.5, а) можно представить эквивалентной схемой (рис. 5.5, б) недогруженного преобразователя. Для нее справедливы следующие соотношения:
Подставляя второе выражение в первое, получаем
Как видно из полученного выражения, статическая характеристика U вых = f ( r ) зависит от сопротивления нагрузки и определяет методическую погрешность. Существенное значение имеет соотношение RH и R . Можно рассмотреть два случая: RH >> R ; RH соизмеримо с R реостата.
Выражение (5.1) можно представить в виде
Для RH >> R величинами ( R / RH ) r , r 2 / RH можно пренебречь по сравнению с R . Тогда
Аналогичный результат можно получить, приняв RH → ∞ и прийти к режиму холостого хода, т. е. отсутствию нагрузки на выходе преобразователя.
Для RH = R абсолютная погрешность от несовпадения идеальной и реальной статической характеристик определится выражением
Последнее выражение получено, исходя из условий R 2 r = Rr 2 и ( R 2 r - Rr 2 ) = 0.
Относительная погрешность
Чтобы определить максимальную погрешность, приравняем производную dδ/ dr к нулю:
что справедливо при условии 2 rR - 3r 2 = 0, откуда получаем
Следовательно, преобразователь имеет наибольшую погрешность при отклонении движка на 2/3 общей длины l. Подставив выражение (5.3) в (5.2), получим формулу для расчета максимальной погрешности:
где αн = RH / R — коэффициент нагрузки.
Как следует из (5.4) и приведенных статических характеристик преобразователя при различных коэффициентах нагрузки αн (рис. 5.5, в, г), с увеличением сопротивления нагрузки погрешность уменьшается. В общем случае необходимо, чтобы коэффициент нагрузки был как можно больше, однако на практике его выбирают в пределах 10... 100. Необходимо отметить также, что выходное напряжение преобразователя при подключении нагрузки падает из-за шунтирования сопротивлением RH части r сопротивления потенциометра R .