Детекторы положения, перемещения и уровня

Детекторы положения, перемещения и уровня

• Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических устройствах непрерывного типа

Электрическая схема датчика • Линейные или поворотные потенциометры – перемещение объекта связано с изменением положения потенциометра • U– напряжение, приложенное к потенциометру, l - максимальное перемещение

Ламельный потенциометрический датчик • Ламельные потенциометрические датчики используются для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков. • В таких датчиках постоянные резисторы припаиваются к ламелям. • Ламель - конструкция с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

• Преимущества • Недостатки потенциометрических датчиков: • наличие скользящего контакта, • простота конструкции; который может стать причиной отказов из-за окисления • малые габариты и вес; контактной дорожки, перетирания • высокая степень линейности витков или отгибание ползунка; статических характеристик; • погрешность в работе за счет • стабильность характеристик; нагрузки; • возможность работы на • сравнительно небольшой переменном и постоянном коэффициент преобразования; токе. • высокий порог чувствительности; • наличие шумов; • низкое быстродействие; • трение, приводящее к нагреву ползунка; • подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Ползунковый потенциометр

Гравитационные датчики Уровнемеры: ртутный переключатель (А) – разомкнутом состоянии, (Б) – в замкнутом; (В) – электролитический детектор наклона Ртутные переключатели - в термостатах, монтируются на биметаллической катушке. При изменении Т катушка изгибается, капля ртути изменяет положение. Уровнемеры определяют угол наклона объекта относительно направления к центру тяжести земли. Используются при строительстве дорог в инерционных навигационных системах, механических станках и др.

Позволяет определить форму объекта: датчик поочередно помещается в углы сетки, нанесенной на объект, определяются координаты угла наклона в каждом из углов сетки, данные обрабатываются компьютером.

Емкостные датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах

Для повышения чувствительности и снижения краевых эффектов применяют активное экранирование – на экране напряжение, равное напряжению на электроде. Компоненты за экраном не оказывают влияния на датчик

На мост подается напряжение с частотой 5 -50 к. Гц. Дифференциальный усилитель усиливает разность напряжений между парой электродов в подвижной группе. Выходной сигнал поступает на вход синхронного детектора Нарушение симметричности расположения пластин приводит к разбалансу моста и появлению сигнала на выходе дифференциального усилителя

Индуктивные и магнитные датчики. Магнитное поле может проникать через все немагнитные материалы без потери точности определения расстояния до объекта. Могут работать в суровых условиях окружающей среды • Линейно-регулируемые и поворотно- регулируемые дифференциальные трансформаторы – используют явление электромагнитной индукции. При движении объекта между двумя катушками меняется магнитный поток. Это изменение потока преобразуеся в напряжение. На первичную катушку подается переменное опорное напряжение Vref индуцирующее переменное напряжение Vout во вторичной катушке, амплитуда которого зависит от потокосцепления между двумя катушками. Объект их ферромагнетика при перемещении изменяет потокосцепление. Вторичные обмотки включены в противофазе. Если сердечник в центре – на выходе напряжения нет. Изменение его положения приводит к изменению магнитного потока и появляется напряжение.

Достоинства таких датчиков: • Бесконтактные устройства – нет потерь на трение • Незначительный гистерезис • Низкий выходной импеданс • Высокая помехоустойчивость • Прочная и надежная конструкция • Высокая разрешающая способность

Одинарный индуктивный датчик основан на свойстве дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величины воздушного зазора • Индуктивный датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3 - удерживается пружинами. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки Rн подается напряжение питания переменного тока. Ток в цепи нагрузки определяется как: где rд - активное сопротивление дросселя ; L - индуктивность датчика. Т. к. активное сопротивление цепи величина постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей XL=IRн , которая зависит от величины воздушного зазора δ.

Зависимость Uвых=f(δ) имеет линейный характер. Реальная характеристика имеет вид: • Отклонение от линейности в начале объясняется принятым допущением Rмж<< Rмв. • При малых d магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха. • Отклонение при больших d объясняются тем, что при больших d RL становится соизмеримой с величиной активного сопротивления - Rн+rд.

• В целом рассмотренный индуктивный датчик имеет ряд существенных недостатков: • не меняется фаза тока при изменении направления перемещения; • при необходимости измерять в обоих направлениях перемещение нужно устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, ток I 0, что неудобно; • ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения; • в процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается, и значит вносит погрешность в работу датчика

Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики (ДИД) • Дифференциальные индуктивные датчики представляет собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Для дифференциальных индуктивных датчиков необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно При среднем положении якоря, когда используется воздушные зазоры одинаковы, разделительный индуктивные сопротивления катушек трансформатор 5 3 и 3' одинаковы следовательно величины токов в катушках равны I 1=I 2 и результирующий ток в приборе равен 0

Характеристика индуктивного датчика имеет вид: • При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величины Х меняются величины зазоров и индуктивностей, прибор регистрирует разностный ток I 1 -I 2, он является функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регистрируется с помощью магнитоэлектрического прибора 4 (микроамперметра) с выпрямительной схемой В на входе.

• Полярность выходного тока остается неизменной независимо от знака изменения полного сопротивления катушек. При изменении направления отклонения якоря от среднего положения меняется на противоположную (на 180°) фаза тока на выходе датчика. При использовании фазочувствительных выпрямительных схем можно получить индикацию направления перемещения якоря от среднего положения. Характеристика дифференциального индуктивного датчика с ФЧВ имеет вид:

Датчик, использующий вихревые токи. Определяет приближение объектов из немагнитных, но проводящих материалов. Чувствительная катушка реагирует на вихревые токи в проводящем объекте, возникает разбаланс между двумя катушками. Диапазон частот 50 к. Гц – 10 МГц

Ферромагнитная пластина может двигаться линейно или вращаться

Достоинства индуктивных датчиков: простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов; возможность подключения к источникам промышленной частоты; относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт); значительная чувствительность. Недостатки индуктивных датчиков: точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте; возможна работа только на переменном токе.

Магнитострикционные датчики уровня и линейных перемещений • Магнитострикция обнаружена только в ферромагнитных материалах: железо, никель, кобальт и сплавах. Если ферромагнетик находится в магнитном поле, оно вызывает микроскопическую деформацию его молекулярной структуры, что приводит к изменению размеров ферромагнетика. Такое поведение объясняется существованием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов - доменов, из которых состоит ферромагнитный материал. Они будут стремиться установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных пространственных областей, уже без внешнего магнитного поля. В доменах, все элементарные магниты направлены одинаково. Но первоначальное распределение доменов хаотично и снаружи ферромагнитное тело кажется немагнитным. В магнитном поле домены выстраиваются по направлению этого поля и выравниваются параллельно другу. Появляются собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз. Например, если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень испытает механическую деформацию и получит линейное удлинение.

Магнитострикционный эффект - эффект Видемана. Он описывает механическую деформацию (скручивание) длинного, тонкого ферромагнитного стержня, который находится под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В датчиках линейных перемещений MTS Sensors внешнее магнитное поле создается позиционным магнитом. Это поле при пересечении с концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же, в датчиках Temposonics используется так называемый, магнитоупругий эффект (или эффект Виллари). Он связан с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Магнитострикционный датчик, использующий ультразвуковые волны для определения положения постоянного магнита для измерения больших перемещений с высоким разрешением - эффект Вайдемана •

• Основной элемент - ферромагнитный волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле в волноводе и связан с объектом измерения. между магнитом и волноводом отсутствует механическая связь. Это гарантирует очень долгий срок службы датчиков MTS Temposonics. При измерении короткий электрический импульс посылается из электронной части сенсора с помощью волновода. При перемещении импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода. При пересечении с магнитным полем постоянного магнита - позиционера, возникает , согласно эффекту Видемана, пластическая деформация кручения магнитострикционного волновода, приводящая к ультразвуковой механической волне, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода, однако в одном из концов она полностью гасится, исключая помехи и искажения сигнала. Детектирование и обработка механического импульса происходит на другом конце волновода в специальном преобразователе. Преобразователь механических импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

• Электрические импульсы, подаваемые в коаксиальный провод волновода приводят к появлению механических импульсов кручения, распространяющихся вдоль волновода со скоростью звука. Момент прихода импульсов точно определяется при помощи пьезодатчиков или индукционных. Катушки механически связаны с волноводом и реагируют на импульсы, возникающие в нем. В такт с ними они вырабатывают короткие электрические импульсы. Временная задержка между ними является мерой положения кольцевого магнита. Она преобразуется в цифровой код. • Достоинства датчика: линейность, хорошая воспроизводимость, он может работать в агрессивных средах и высоких давлениях, радиации. Используются в гидравлических цилиндрах, в прессах, в горнодобывающей промышленности (определение подвижки скал), в лифтах.