Публикации Современные датчики в судовых системах автоматики

Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.

Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Современные датчики в судовых системах автоматики
Автор: Самохин Геннадий Николаевич

СОВРЕМЕННЫЕ ДАТЧИКИ В СУДОВЫХ СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИАвтор: Самохин Геннадий Николаевич Датчиком автоматической системы управления, контроля или измерения называется конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещенная непосредственно у объекта управления и служащая для преобразования измеряемой величины в выходной сигнал, удобный для дальнейшей обработки, дистанционной передачи, хранения и непосредственного восприятия наблюдателем. В двухтысячных годах на суда поступили датчики нового типа. В статье рассматривается два из них: температурный и тензометрический.Температурный датчик Принцип действия температурного датчика основан на изменении электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при изменении их температуры. В термопреобразователях сопротивления используются материалы, обладающие большим и стабильным температурным коэффициентом сопротивления, линейной зависимостью сопротивления от температуры. Приборы для измерения температуры, в которых в качестве чувствительных элементов используются термопреобразователи сопротивления называются термометрами сопротивления. В промышленных термометрах сопротивления нашли применение проводниковые термопреобразователи сопротивления, которые изготавливаются из чистых металлов: платины, меди, никеля и железа. Наиболее широко применяются платина и медь. Выбор материала для термопреобразователей сопротивления определяется инертностью металла к измеряемой среде в заданном интервале температур. Медные термопреобразователи можно применять до температуры 2000 С в атмасфере имеющей низкую влажность и свободную от газов, вызывающих коррозию. При более высокой температуре медь окисляется. Платиновые термопреобразователи используются при измерении температуры в диапазоне от -200 до 6000 С. Отечественная промышленность выпускает платиновые и медные термометры сопротивлений, чувствитльный элемент которых выполняется из тонкой проволоки – соответственно платиновой (диаметром 0,07мм) или медной (диаметром 0,1мм).1Чтобы исключить влияние индуктивности, провод чувствительного элемента наматывается бифилярно. Для защиты от воздействия измеряемой среды чувствительные элементы помещают в специальную трубку.Рис. 1.На рис. 1. показана одна из конструкций термопреобразователя сопротивления. Платиновая проволока 1 намотана бифилярно на слюдяной каркас 2, на котором имеются мелкие зубцы, для изоляции провод закрывается с обеих сторон слюдяными пластинами 3. Для улучшения теплообмена чувствительного элемента со средой применяются пластинки 4 С- образного сечения из фольги. Пластинки 2,3 и 4 скрепляются и и плотно вставляются внутрь кожуха 5. Выводы выполняются из серебряной ленты или проволоки и выводятся в клеммную коробку 7. С помощью гайки 6 термометр сопротивления крепится к корпусу.По значению сопротивления при 00 С платиновые термисторы сопротивления выпускаются трех типов: сопротивлением 10, 46 и 100 Ом. Первый тип используется при измерении температуры от 0 до 6500 С .Последние два - приизмерении температуры от -200 до 5000 С. 2Медные термометры сопротивления выпускаются сопротивлением 53 и 100 Ом и используются для измерения температур от -50 до 1800 С.Тензометрические датчики крутящего момента Для измерения крутящего момента тензорезисторы наклеивают на поверхность вала под углом 450 к его образующей, т. е. вдоль действия главных нормальных напряжений. Обычно используется мостовая схема с четырьмя тензорезисторами, позволяющая повысить чувствительность датчика и улучшить линейность его характеристики. Два тензорезистора наклеиваются на одной стороне вала, а два других на противоположной показанной на рис. 2.Рис 2.При таком расположении тензорезисторы 2, 3 под действием крутящего момента будут растягиваться, а тензорезисторы 1, 4 сжиматься, что приведет к появлению выходного сигнала с мостовой схемы. Под влиянием изгиба растягиваться будут тензорезисторы 2, 4 а сжиматься тензорезисторы 1, 3. Но при такой деформации тензорезисторов выходной сигнал с мостовой схемы будет равен нулю. При изменении температуры будет происходить одновременное изменение сопротивлений тензорезисторов, поэтому выходной сигнал и в данном случае будет равен нулю. Таким образом, мостовая схема снижает влияние деформаций, вызванных изгибом и уменьшает влияние изменения температуры. Хорошая работа датчика возможна при тщательном подборе тензорезисторов, которые должны иметь одинаковые сопротивления и чувствительности. Тензометрические датчики просты по конструкции, имеют малые размеры, но для подачи питания и снятия выходного сигнала с мостовой схемы необходима установка токосъёмных устройств.3 Для возможности балансирования мостовой схемы устанавливаются пять колец а, б, в, г, д. Наличие токосъёмного устройства является основным недостатком тензорезисторных датчиков.Для повышения надежности и точности тензометрических датчиков применяют телемеханические системы измерения крутящего момента. В таких системах источник питания и схема преобразования выходного сигнала с тензометрического моста находится на вращающем валу. В качестве источников питания используют либо гальванические батареи, либо вторичные обмотки трансформаторов, первичные обмотки которых располагаются около вращающегося вала. В телемеханических системах применяют частотную модуляцию, при которой выходное напряжение тензометрического моста преобразуется в частоту специального генератора. Напряжение генератора с переменной частотой подается на передающую антенну, расположенную на валу. Приемная антенна обычно находится рядом с валом. Она соединяется с приемным устройством, в котором осуществляется индикация принятого сигнала. Применение частотной модуляции Позволяет уменьшить влияние помех. Следует отметить, что схемы телеметрических систем измерения крутящего момента достаточно сложны.Рис. 3.В качестве примера на рис. 3. показана функциональная схема телемеханического датчика с тензорезисторами. Датчик состоит из двух частей: статора и ротора, расположенного на валу. Электронные элементы датчика расположены на роторе. Между статором и ротором имеется воздушный зазор, равный 2 мм. Для подачи питания на вал на статоре находится первичная обмотка трансформатора 1. Вторичная обмотка 2 располагается в пазах ротора. Со вторичной обмотки напряжение подается на выпрямитель 3. 4Выпрямленное и стабилизированное напряжение используется для питания электронных элементов и тензорезисторных преобразователей датчика. Выходное напряжение мостовой схемы тензорезисторных преобразователей 4 поступает на усилитель постоянного тока 5. С выхода усилителя напряжение подается на преобразователь напряжения – частота 6. Принулевом значении крутящего момнта частота выходного сигнала преобразователя равна 7 кГц. Появление крутящего момента приводит к изменению частоты выходного сигнала преобразователя. В зависимости от знака значений крутящего момента частота изменяется до 4 кГц. Таким образом, под действием крутящего момента происходит частотная модуляция выходного сигнала тензорезисторных преобразователей в диапазоне от 3 до 11 кГц. Далее выходной сигнал преобразователя поступает на усилитель мощности 7, а с него на передающую обмотку 8. Сигнал с роторной обмотки принимается выходной обмоткой датчика 9, расположенной на статоре. Вместе с датчиком крутящего момента на роторе и статоре располагается частотный датчик частоты вращения 10, состоящий из диска с зубцами, находящегося на роторе и индукционного преобразователя на статоре. Частотные выходные сигналы с датчиков крутящего момента и частоты вращения преобразуются в сигналы постоянного тока до 10 В. Погрешность датчика не превышает 0,25%. 5