Содержание материала

Современное развитие путевой техники, в том числе и выправочно-подбивочно-рихтовочных машин, характеризуется широким применением систем автоматического управления и устройств контроля различных технологических процессов. В применяемых системах автоматического управления и устройствах контроля используется довольно большое число электрических приборов для измерения неэлектрических величин. Использование электрической измерительной аппаратуры объясняется тем, что она имеет высокую чувствительность и точность измерений, возможность непрерывного измерения величин во времени и удобную регистрацию результатов измерения. Кроме того, электрические методы измерений позволяют наиболее просто производить измерения на расстоянии (дистанционно).
При использовании электрических приборов для измерения неэлектрических величин самым важным моментом является преобразование измеряемой неэлектрической величины в тот или иной электрический сигнал. Устройства, обеспечивающие восприятие измеряемой входной величины (давления, скорости, температуры, длины, угла поворота) и преобразование ее в величину, удобную для передачи по линии связи, усиления, измерения или регистрации электрическими средствами, называются преобразователями или датчиками.
Датчики для преобразования неэлектрических величин можно разделить на четыре группы. К первой группе относятся датчики для преобразования в электрический сигнал механических величин: перемещений (линейных и угловых), скорости, силы и моментов сил, упругости, частоты колебаний, размеров, массы и объемов различных тел, уровня жидкости. Ко второй группе относятся датчики для преобразования в электрический сигнал физических величин: температуры, количества тепла, теплоемкости, теплового сопротивления, магнитных свойств материала, цвета, освещенности, светового потока, силы света, интенсивности излучения. К третьей группе относятся датчики, которые преобразуют химические величины (концентрация, состав вещества) в электрические. К четвертой группе относятся датчики для преобразования органических величин, связанных с физиологическими процессами жизни человека, растений и животных, в электрические.
Для измерения определенных механических и физических величин первоначально возникает необходимость преобразовать входной сигнал в другую механическую или физическую величину (например, давление — напряжение; скорость — напряжение; температура — давление).
Преобразователь механической величины в электрическую (механоэлектрический преобразователь) является одним из основных элементов системы автоматического управления.

Выбор преобразователя в значительной степени предопределяет выбор схемы других элементов системы автоматического управления (усилительного устройства, блока питания). Поэтому выбору преобразователя при разработке системы автоматического управления уделяют особое внимание.
Для дальнейшего изложения введем некоторые определения:
входная величина — механическая величина, воздействующая на преобразователь и трансформируемая последним в электрический сигнал;
выходная величина — величина, получаемая на выходе прибора как результат преобразования и усиления;
чувствительность устройства — отношение изменения выходной величины ∆у к изменению входной величины ∆x(S = ∆у/∆х), ее размерность определяется размерностями входной и выходной величин;
порог чувствительности или чувствительность — минимальное изменение входной величины, которое можно уверенно обнаружить с помощью данного преобразователя;
предел преобразования — максимальная входная величина, которая может быть воспринята преобразователем без искажений и без повреждения самого преобразователя;
статическая характеристика — зависимость установившихся выходных величин от входных;
динамический диапазон измерения — диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений и простирается от максимальной (предельной) величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности.

По принципу работы преобразователи делятся на активные, или генераторные, и пассивные, или параметрические.
Активные преобразователи преобразуют энергию одного вида в энергию другого вида, в результате чего вырабатываются электрические величины (напряжение, ток, заряд). К ним относятся пьезоэлектрические и индукционные преобразователи.
Для пассивных преобразователей требуется вспомогательная энергия; их работа может осуществляться следующими способами: на основе непосредственного применения физических зависимостей; путем механических воздействий; методом компенсации.
Для измерения одной и той же механической величины могут быть использованы датчики, основанные на различных принципах преобразования, которых существует весьма много, но которые на всегда равнозначны по возможностям, обеспечению точности и т. д.
Во многих случаях перед механо- электрическим измерительным преобразователем целесообразно включать преобразователь масштаба или вида величин. Например, зубчатая передача является преобразователем масштаба величин (угол поворота преобразует в угол поворота, крутящий момент преобразует в крутящий момент), а зубчатая рейка — преобразователем вида величин, так как угол поворота преобразует в линейное перемещение и, наоборот, линейное перемещение — в угловое.
К наиболее распространенным активным преобразователям относятся пьезоэлектрические и электродинамические чувствительные элементы. Принцип действия пьезоэлектрических чувствительных элементов основан на использовании свойств некоторых кристаллов образовывать на своих гранях электростатические заряды под действием упругих деформаций. Этот так называемый пьезоэффект возникает на кристаллах кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и некоторых других веществ. Пьезоэлектрические чувствительные элементы позволяют контролировать быстро протекающие процессы, так как заряды образуются практически безынерционно. Основными преимуществами пьезоэлектрических преобразователей являются: широкий диапазон рабочих температур, минимальные упругие деформации, очень широкий диапазон измерений, высокая чувствительность. К недостаткам этих преобразователей относятся: необходимость обеспечения очень высокого сопротивления изоляции, непригодность для статических измерений.
Работа электродинамических чувствительных элементов (индукционных преобразователей) основана на том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего обмотку, в последней индуцируется напряжение, пропорциональное числу витков катушки и изменению магнитного потока. В зависимости от конструкции различают преобразователи с вращающейся катушкой или с вращающимся магнитным полем.
Электродинамические чувствительные элементы применяют также для генерации импульсов. В этом случае вращающийся зубчатый ротор (набранный из стальных пластин), импульсно-модулирующий магнитный поток, устанавливают в воздушном зазоре постоянного магнита.
Термопара представляет собой цепь, состоящую из двух проводников, выполненных из различных материалов. При наличии разности температур на концах (спаях) термопары между ними возникает электродвижущая сила. Концы термопары, присоединяемые к усилителю, называют холодным спаем, а присоединяемые к объекту, температуру которого измеряют, — горячим. Горячий спай термопары может быть небольших размеров, что делает термопару удобным элементом при измерении температуры в ограниченных объемах. Диапазон температур, в котором применяются термопары, достаточно велик: для неблагородных металлов от 200 до 700 °С, для благородных — от 0 до 1600 °С и выше. Основными преимуществами термопар являются: возможность обеспечения малой инерционности, широкий диапазон и небольшие погрешности измерения. К недостаткам относятся: необходимость применения высокочувствительных показывающих приборов или усилителей вследствие малых значений выходного напряжения, необходимость обеспечения постоянной температуры холодных спаев.
Фотоэлементы служат для преобразования световой энергии в электрическую. Входной величиной фотоэлементов является освещенность, а выходной — постоянный ток. Погрешность измерения составляет несколько процентов. Достоинством фотоэлементов является то, что это активный чувствительный элемент. Их недостатком является малая точность измерения, а также у некоторых из них (фоторезисторов) — большая инерционность.
Широкое распространение в области измерения механических величин получили пассивные преобразователи. Простейшим видом таких чувствительных элементов являются электроконтактные преобразователи. Замыкание или размыкание в них электрических контактов происходит в момент достижения изменяющейся линейной величиной (перемещением) определенного значения. В результате замыкания контактов сопротивление электрической цепи изменяется от бесконечности до малой конечной величины, или наоборот. По числу последовательно замыкаемых контактов электроконтактные преобразователи подразделяются на одноконтактные, двухконтактные и многоконтактные. Кроме этого, различают контактные и бесконтактные (индуктивные) датчики-выключатели. Простейшим видом электроконтактного преобразователя и наиболее часто применяемым является конечный выключатель.
Среди пассивных чувствительных элементов большое распространение получили резисторные чувствительные элементы. Из электротехники известно, что омическое сопротивление проводника длиной l, площадью сечения q и удельным сопротивлением материала р определяется по формуле R = pl/q. Изменение сопротивления может быть вызвано изменением удельного сопротивления, длины или площади сечения проводников. Все три возможности используют в конструкциях чувствительных элементов. Простейшим способом изменения сопротивления резистора за счет изменения длины является перемещение отвода (скользящего контакта-щетки).
Реостатные датчики (потенциометры) выполняются с продольным или круговым перемещением. По способу выполнения переменного сопротивления потенциометры делятся на потенциометры непрерывной намотки и ламельные. В потенциометрах непрерывной намотки (рис. 26) переменным сопротивлением служит намотанная в один ряд на каркас тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит щетка. Сопротивление таких потенциометров находится в пределах от нескольких десятков ом до нескольких десятков килоом. Эти потенциометры получили большое распространение благодаря своей простоте и плавному изменению сопротивления.
Потенциометр
Рис. 26. Потенциометр непрерывной намотки:
I — каркас, 2 — обмотка; 3 — щетка

Каркасы потенциометров изготовляются из изоляционных материалов — прессованной пластмассы, гетинакса, текстолита, эбонита, керамики. Обычно они имеют форму стержня (рис. 26,а), кольца (рис. 26, б) или изогнутой по дуге пластинки (рис. 26, в). Для лучшего отвода тепла применяют металлические каркасы, покрытые непроводящим слоем окисла, получаемого способом анодирования, или изоляционным лаком. Для обмотки потенциометра применяется эмалированная проволока, диаметр которой выбирают в зависимости от требуемого сопротивления и числа витков, начиная от 0,04 мм и выше. Проволоку наматывают на каркас, затем обмотку пропитывают лаком, а на рабочей поверхности зачищают дорожку, по которой перемещается щетка. Потенциометры, как и все чувствительные элементы, имеют зону нечувствительности, вызываемую тем, что перемещение щетки в пределах одного витка не вызывает изменения выходного сигнала. Поэтому его выходное сопротивление (или напряжение) изменяется не плавно, а скачкообразно. Для оценки зоны нечувствительности можно воспользоваться характеристикой реального потенциометра, изображаемой в виде ступенчатой линии.

Ширина ступени равна шагу намотки, а высота — сопротивлению одного вятка (рис. 27). Если принять за идеальную характеристику прямую, проходящую через середины ступенек, то зона нечувствительности в единицах сопротивления ∆R = ± Rn/2ω, а в относительных единицах

где Rn — полное сопротивление потенциометра; ω — число витков потенциометра.

Следовательно, если задана допустимая зона нечувствительности, то необходимое число витков определяется неравенством ω ≥ 1 /2 ξ.
Если из-за ограниченных размеров не удается разместить достаточное число витков, то применяют специальные конструкции потенциометров, характеризующиеся малой зоной нечувствительности (рис. 28). На поверхности барабана 1 прорезана специальная канавка, в которую уложен потенциометр 2. Барабан приводится во вращение задающей осью 3, связанной через пару зубчатых колес 4 и 5 с червячным винтом 6, шаг которого, умноженный на передаточное отношение зубчатой пары, равен шагу спиральной канавки. При вращении барабана по червяку перемещается гайка, несущая токосъемную щетку 7.
Практически степень неравномерности характеристики у потенциометров среднего класса точности достигает 0,25—0,5%, а у прецизионных не превышает 0,05 — 0,1%.
Преимуществами потенциометров являются: малые отклонения от линейности, высокая разрешающая способность. К недостаткам относятся: истирание обмотки и ползунка, нарушение контакта.

Рис. 27. Характеристика потенциометра


Рис. 28. Спиральный потенциометр
Этих недостатков лишены бесконтактные измерительные преобразователи. Среди этих преобразователей большое применение получили индуктивные и индукционные чувствительные элементы. Индуктивные преобразователи служат для преобразования перемещения их якоря в изменение индуктивности катушки. Простейший индуктивный преобразователь (рис. 29) представляет собой магнитную цепь, состоящую из катушки 1 со стальным сердечником 2 и подвижного якоря 3. Перемещение якоря 3 преобразуется в изменение магнитного сопротивления воздушных зазоров либо увеличением (уменьшением) воздушного зазора δ, либо изменением площади воздушного зазора. При изменении зазора δ входной величиной преобразователя, является перемещение х якоря 3, а выходной — индуктивность L или индуктивное сопротивление катушки XL = 2πfL.
Преобразователи с переменным зазором применяют при малых перемещениях, составляющих десятые, сотые и тысячные доли миллиметра. Значительно большими пределами преобразуемых перемещений отличаются индуктивные преобразователи с переменной площадью воздушного зазора. Преобразователи этого типа являются более универсальными.


Рис. 29. Индуктивные преобразователи:
а — с односторонним зазором; б — дифференциальный (с двусторонним зазором); в — с переменным сечением

Индукционные преобразователи предназначены для преобразования линейного или углового перемещения их якоря в изменение взаимной индукции между двумя или несколькими катушками. На сердечнике такого преобразователя (рис. 30) установлены две катушки с обмотками, содержащими w1 и w2 витков.
При изменении магнитного сопротивления Rм цепи, например, при изменении зазора δ, будет изменяться взаимоиндукция М между катушками: М = wxw2/Ru.
Обмотка одной из катушек является первичной и к ней подводится переменный ток от источника питания. Во вторичной обмотке наводится э.д.с., которая изменяется в зависимости от изменения взаимоиндукции.


Рис. 30. Индукционный преобразователь Рис. 31. Индукционный преобразовательугловых перемещений

У дифференциального трансформаторного преобразователя, применяемого для преобразования малых угловых перемещений (рис. 31), обмотки 1 и 3 являются первичными и питаются переменным током. Когда якорь 4 находится в нейтральном положении, э.д.с., наведенные во вторичной обмотке, равны нулю, так как магнитные потоки обмоток 1 и 3 в этом случае равны и противоположны по направлению.
При повороте якоря баланс магнитных потоков во вторичной обмотке 2 нарушается и в ней наводится э.д.с., фаза которой при переходе якоря через нуль изменяется на 180°.
Наряду с указанными измерительными преобразователями используются также сельсины (контактные и бесконтактные). Контактные сельсины аналогичны машинам переменного тока. Функции первичной цепи сельсина выполняет однофазная обмотка возбуждения, которая может располагаться как на статоре, так и на роторе. Если обмотка возбуждения находится на статоре (рис. 32,а), который в этом случае выполняется с явно выраженными полюсами, то на роторе укладываются обмотки вторичной цепи, состоящей из трех распределенных обмоток, соединенных звездой. Магнитные оси трех обмоток сдвинуты одна относительно другой на угол 120°. Концы трехфазной обмотки вторичной цепи выводятся на коллектор, состоящий из грех токосъемных колец и щеток.
Обмотка возбуждения может располагаться на роторе с двумя явно выраженными полюсами (рис. 32,6). При этом вторичная трехфазная распределительная обмотка укладывается в пазы статора. Сельсины с подобным расположением обмоток имеют коллекторы, состоящие из двух контактных колец и щеток, служащих для подвода питания к однофазной обмотке возбуждения.
У сельсинов с обмоткой возбуждения на статоре габариты и масса ротора больше, что является недостатком их конструкции. Кроме того, вследствие значительного числа контрольных колец и щеток сельсины указанной конструкции характеризуются увеличенным значением момента трения и, следовательно, величина устанавливающего момента у них большая. К достоинству этих сельсинов относится удобство балансировки ротора.

Рис. 32. Конструкция контактных сельсинов

На практике сельсины, имеющие обмотку возбуждения на статоре, применяются в мощных дистанционных передачах, а сельсины с обмоткой возбуждения на роторе — в маломощных индикаторных передачах.
В индикаторных синхронных передачах различают сельсин-датчик и сельсин-приемник. На валу сельсин-приемника в некоторых случаях устанавливают успокоители, предназначенные для демпфирования возможных колебаний в процессе работы индикаторной системы.
Сельсины, применяемые в следящих системах для измерения угла рассогласования, в конструктивном отношении не имеют принципиальных отличий от сельсин-датчиков или сельсин-приемников. Сельсины, работающие в трансформаторном режиме и предназначенные для измерения угла рассогласования, имеют первичную однофазную и вторичную трехфазную обмотки с неявно выраженными полюсами. Первичная однофазная обмотка обычно является выходной и подключается ко входу усилителя.
Принцип действия контактных сельсинов заключается в следующем. Если подключить однофазную обмотку возбуждения сельсина к источнику питания переменного тока, то возникает пульсирующий (с частотой источника питания) магнитный поток, который пронизывает обмотки вторичной цепи. Наведенная в той или иной обмотке вторичной цепи э.д.с. зависит от углового положения этой обмотки относительно магнитной оси обмотки возбуждения.

Когда направление оси совпадает с направлением потока возбуждения, в обмотке наводится максимальная э.д.с. Если же ось располагается перпендикулярно направлению действия потока, то э.д.с. равна нулю. При полном обороте ротора сельсина в каждой обмотке вторичной цепи совершается полный цикл изменения э.д.с., соответствующий периоду. Обычно форма полюсов сельсина такова, что э.д.с. во вторичных обмотках пропорциональна косинусу угла между магнитными осями обмоток вторичной цепи и обмотки возбуждения. Магнитные оси обмоток вторичной цепи сдвинуты одна относительно другой на 120°, поэтому изменения э.д.с. в обмотках при вращении ротора происходят со сдвигом в 120° и 240°, т. е. э.д.с. в обмотках пропорциональны cosΘ, cos (Θ—120°), cos (Θ—240 °).
На рис. 33 показана электрическая схема соединений сельсин-датчика с сельсин-приемником, образующих дистанционную индикаторную систему передачи показаний. В обмотках датчика и приемника пульсирующие магнитные потоки возбуждения наводят э.д.с., которая зависит от расположения той или иной обмотки относительно обмотки возбуждения.

Рис. 33. Индикаторная самосинхронизирующая синхронная передача

При одинаковом расположении роторов приемника и датчика относительно своих потоков возбуждения ток в соответствующих фазах будет равен нулю. При наличии угла рассогласования, т. е. в том случае, когда ротор датчика повернут на угол Θвх относительно обмотки возбуждения, а ротор приемника — на угол Θвых≠Θвх, э.д.с. в обмотках вторичной цепи датчика и приемника различны по величине, что вызывает появление фазовых токов. Возникающий при этом на сельсин-приемнике синхронизирующий момент стремится повернуть ротор приемника в положение, при котором угол рассогласования равен нулю.
Сельсины могут работать в индикаторном и в трансформаторном режимах. Выше был описан индикаторный режим работы сельсинов. С помощью сельсинов, работающих в трансформаторном режиме, можно преобразовать угол рассогласования в эквивалентное ему переменное напряжение. На рис.34 показан сельсинный преобразователь, состоящий из сельсин-датчика и сельсин-трансформатора. Сельсин-трансформатор возбуждается тремя переменными фазовыми напряжениями сельсин-датчика и создает переменное напряжение, у которого амплитуда пропорциональна углу рассогласования между положениями оси датчика и оси сельсин-трансформатора, а фаза зависит от направления или знака рассогласования. Переменное выходное напряжение с амплитудой и фазой, определяемыми углом рассогласования, снимается с однофазной обмотки сельсин- трансформатора, которая обычно соединяется со входом усилительного устройства.

Для алгебраического суммирования угловых величин часто применяют дифференциальные сельсины, которые имеют и статор, и ротор с неявно выраженными полюсами. На статоре и роторе располагаются трехфазные обмотки, соединенные звездой. В остальном конструкция дифференциальных сельсинов аналогична описанным выше.

Основным назначением дифференциального сельсин-приемника является преобразование серии переменных напряжений со стороны обычных сельсин-датчиков в угловое положение своего ротора, равное алгебраической сумме перемещений валов этих датчиков.
Основным недостатком контактных сельсинов является наличие контактных колец и щеток, которые увеличивают момент трения и вследствие этого уменьшают точность передачи показаний. Кроме того, контактные кольца и щетки в процессе работы могут обгорать. Это приводит к нарушению контакта и может явиться причиной аварии.
У бесконтактных сельсинов, конструкция и теория работы которых разработаны советскими учеными, эти недостатки отсутствуют. На статоре бесконтактного сельсина (рис. 35) размещены неподвижные обмотки возбуждения 1 и обмотки 2 вторичной трехфазной цепи. Магнитные оси этих обмоток взаимно перпендикулярны. Следовательно, обмотка возбуждения, магнитная ось которой направлена вдоль оси ротора 3 сельсина, не влияет на обмотки вторичной цепи. Для связи между обмотками первичной и вторичной цепей используется подвижная часть сельсина — ротор, который не имеет обмоток и состоит из двух частей специальной формы, собранных из металлических пластин и разделенных прокладкой 4 из немагнитного материала. Особенностью такой конструкции является то, что магнитный поток сельсина, направленный параллельно оси обмотки возбуждения (оси ротора), переходит в плоскость, перпендикулярную к оси ротора и параллельную магнитным осям обмоток вторичной цепи. В результате этого и осуществляется связь между обмотками первичной и вторичной цепей.

Рис. 34. Сельсинный преобразователь угла рассогласования
Бесконтактный сельсин
Рис. 35. Бесконтактный сельсин

При вращении ротора вращается и магнитный поток, что создает условия для наведения э.д.с. в обмотках вторичной цепи. Режимы работы бесконтактных сельсинов аналогичны режимам работы контактных сельсинов.