Анализ существующих датчиков измерения угла поворота

 

В зависимости от способа представления измеряемого сигнала выделяют аналоговые и цифровые датчики угла поворота. Информация, представленная в цифровом виде, удобна для обработки, поэтому цифровые датчики получили наибольшее распространение. Поскольку в разрабатываемой АСУТП для обработки измерительной информации используется микроконтроллер, то рассматривать будем только цифровые датчики.

 

Фотоэлектрический кодовый преобразователь.

Принцип действия его состоит в том, что от газонаполненной лампы луч света через светофильтр направляется на кодированный диск, закрепленный на валу, и через диаграммы попадает на фотоэлемент. Один оборот вала делится на части с помощью кодированной шкалы-диска. Этот диск состоит из нескольких концентрических колец, образованных последовательно чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Каждому из 32 возможных положений цикла соответствует одно число (от 0 до 31 включительно), выраженное в двоичном коде: 1 – соответствует наличию тока, 0 – отсутствию ток; разряд определяется концентрического кольца.

Примером такого датчика может служить датчик WDG 50B. Его характеристики приведены ниже:

– Количество импульсов: 4, 9, 10, 15, 20, 25, 28, 30 … 1500

– Корпус: диаметр 50 мм, длина 44 мм

– Вал: диаметр 8 мм, длина 15 мм

– Максимальное число оборотов: 12.000 об./мин.

– Нагрузка на подшипник: макс. 120 N радиальная, 70 N аксиальная

– Выходные каналы: ABN, ABN инвертированный

– Предельная частота: 200 кГц

– Рабочее напряжение: 4,75 - 5,5 V DC, 10 - 30 V DC

– Рабочая температура:-10 - +70°C

 

Датчик угла поворота вала (МДП-01М)

В качестве датчика угла поворота вала в ДК ГМК используется магнитный датчик перемещения МДП-01М, который состоит из маркера и чувствительного элемента (датчика). Маркер - управляющий элемент, механически не связанный с датчиком, но связанный с перемещающимся объектом, в качестве которого используется постоянный магнит. Магниточувствительным элементом датчика служит интегральный элемент Холла, выполненный на микросхеме серии К1116. При определённом взаимном расположении управляющего и чувствительного элементов датчика осуществляется коммутационная операция и информация о местонахождении объекта, перемещающегося относительно датчика, преобразуется в электрический сигнал.

Технические характеристики МДП-1М:

– Напряжение питания, В	5,0 ± 0,5;
– Ток потребления, мА,	не более 6;
– Выходной ток низкого уровня, мА,	не более 20;
– Выходное напряжение низкое, В,	не более 0,4;
– Выходной ток высокого уровня, мА,	не более 0,2;
– Индукция срабатывания, мТл,	не более 35;
– Индукция отпускания, мТл,	не менее 10;
– Время включения, мкс,	не более 0,25;
– Время выключения, мкс,	не более 0,5;
– Диапазон рабочих температур, °С	-10...+70;
– Величина рабочего зазора, Н раб, мм	1 ÷ 10.

 

В последнее время широкое распространение получили так называемые датчики близости, построенные на использовании эффекта Холла. Датчики на основе эффекта Холла реагируют на изменение магнитного потока магнитного поля. Следовательно, если по заданию необходимо получить 6 импульсов на оборот, то по окружности вала в одном сечении устанавливаются элементы, служащие источниками магнитного тока (постоянные магниты).

Достоинства датчиков с использованием эффекта Холла:

– Широкая полоса пропускания;

– Малое воздействие на объект измерения из-за чрезвычайной малости сил, возникающих между этим объектом и датчиком;

– Повышенная надежность, вследствие отсутствия подвижных частей подверженных износу или увеличению зазора;

– Обеспечение гальванической развязки измерительного контура и перемещающего объекта;

– Возможность использования в режиме как цифровых, так и аналоговаых кодов.

Недостатки:

– Малый диапазон измерения;

– Нелинейность измерительного преобразования;

– Необходимость в калибровке в конкретных условиях применения.

 

Ниже представлены характеристики датчика серии HRS100 (от Honeywell), работающего по этому принципу:

– использование технологии твердотельной микроэлектроники;

– 50 млн. циклов;

– защита от электростатического разряда до ±7 кВ;

– присутствие шлица на валу;

– угол поворота 90º;

– рабочая температура -40...85 ºС;

– защита от превышения питания до 18 В.

 

 

4.2.2 Компоновка датчика угла поворота

 

В качестве датчика угла поворота используем оптическую пару светодиод – фотодиод, разделенную светонепроницаемым диском. Выходной сигнал фотодиода подадим на вход делителя импульсов, и затем обработанный сигнал в систему управления. Конструктивно объединим датчик угла поворота и датчик крутящего момента в одном корпусе.

 

 

4.2.3 Выбор элементной базы

 

Целесообразно выбрать светодиод с инфракрасным спектром излучения, при котором фотодиод может использоваться с защитным ИК фильтром. Номинальный ток светодиода выбирается в пределах до 20% от максимального тока для повышения срока службы излучателя. Фотодиод выбираем на основе кремния, что уменьшает темновой ток и повышает термостабильность датчика.

Для реализации оптической пары выбираем светодиод АЛ107Б и фотодиод ФД27К.

 Параметры светодиода отечественного производства АЛ107Б:

– излучаемая мощность – 5,5мВт (при токе в диоде в 100мА);

– время нарастания/спада излучаемой мощности (0,1...0,9Рmax), - 50мкс;

– длина волны, соответствующая максимальному излучению - 0,92-0,98 мкм;

– падение напряжения на диоде, - 1,8 В (при токе, 100мА);

– максимальный ток в диоде - 100мА;

– максимальное обратное напряжение – 2 В;

Параметры фотодиода отечественного производства ФД-27К:

– размер фоточувствительного элемента, 9мм

– спектр, 0,47... 1,12мкм;

– рабочее напряжение, 24В

– темновой ток Iт, не более 1,5мкА

– габариты (без выводов), диаметр 19,6мм, длина 6,5мм

 

4.2.4 Разработка принципиальной электрической схемы датчика

 

Принципиальная электрическая схема датчика представлена в приложении Б. Рассчитаем необходимые параметры.

Так как фотодиод расположен вблизи светодиода и с учетом того, что номинальный ток светодиода выбирается в пределах до 20% от максимального тока для повышения срока службы излучателя, получаем:

мА.

 Ом;

Принимаем R1 = 1100±5% Ом по ряду Е24. Мощность, рассеиваемая на резисторе, равна: Вт, выбираем резистор МЛТ-0.25.

В качестве фотоприемника выберем кремниевый фотодиод типа ФД27К (VD2), имеющий очень низкий темновой ток и высокотемпературную стабильность.

Резистор R2 назначаем исходя из технических условий. R2=10..100 кОм. Принимаем R2=100±5% кОм из Е-24 типа МЛТ-0.25. Измерительный модуль ПТК Деконт должен быть настроен так, чтобы вход модуля для подключения ФИД имел гистерезис не менее 2U_П  для того, чтобы модуль не реагировал на помеху.

 

 

4.3 Разработка датчика измерения температуры

 

4.3.1 Анализ измерительных технических средств измерения температуры

 

В промышленном производстве и научных исследованиях наиболее распространены контактные средства, термоэлектрические преобразователи (термопары), пирометры, и др. Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования и требований определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Термопреобразователи сопротивления – их принцип действия основан на свойстве проводника изменять своё сопротивление с изменением температуры. Обладают высокой точностью и стабильностью характеристики. Основными частями термопреобразователя сопротивления является чувствительный элемент, защитная арматура и головка преобразователя с зажимами для подключения чувствительного элемента и соединительных проводов. Чувствительные элементымедных преобразователей представляют собой медную проволоку, покрытую эмалевой изоляцией, которая бифлярно намотана на каркас, помещённый в тонкостенную оболочку.

Платиновая проволокане может быть покрыта слоем изоляции. Поэтому платиновые спирали располагают в тонких клапанах керамического каркаса, заполненных керамическим порошком. Этот по­рошок выполняет функция изолятора, осуществляет фиксацию по­ложения спиралей в каналах и препятствует межвитковому замыканию. Такая конструкция чувствительного элемента позволяет обеспечить высокую механическую прочность, вибростойкость и ма­лую инерционность. Могут измерять в диапазоне от –260 до 1100 градусов.

Примером такого преобразователя могут служить термопреобразователи сопротивления платиновые марок ТСП-Н и ТСП-Р, предназначенные для измерения температуры твердых, сыпучих, жидких и газообразных сред в различных областях народного хозяйства. Основные характеристики данных преобразователей приведены ниже.

Таблица 3 – Основные технические данные термопреобразователей ТСП-Н, ТСП-Р

Класс допуска	Rном / 0ºС	Допускаемое отклонение сопротивления от номинального при 0 ºС, %	Номинальное значение W 100	Диапазон измеряемых tºС
А B C	50 100 500	0,05; 0,1; 0,2	1,385	-200...+850

 

Термоэлектрические преобразователи (термопары) – их принцип действия основан на зависимости термо-ЭДС от значений температур мест соединения двух разнородных проводников. Термоэлектрические преобразователи имеют очень широкий диапазон измерения: от –200 до 2200 градусов цельсия, могут измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды, имеют малые габаритные размеры – от 0,5 мм. Отличаются относительно высокой точностью и стабильностью характеристики, хотя и уступают по этим параметрам термрмопреобразователям сопротивления.

К числу недостатков относится необходимость применения специальных термоэлектродных проводов для подключения к прибору и необходимость стабилизации ошибки на температуру свободных концов.

В таблице 4 приведены особенности и области применения некоторых типов термопар.

 

Таблица 4 – Особенности и области применения некоторых термопар.

Тип термопары	Особенности применения
ТХА	Обладают: — наиболее близкой к прямой характеристикой. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах
ТХК	Обладают: — наибольшей чувствительностью; — высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Недостаток: высокая чувствительность к деформациям
ТПП	Обладают: — хорошей устойчивостью к газовой коррозии, особенно на воздухе при высоких температурах; — высокой надежностью при работе в вакууме (но менее стабильны в нейтральных средах). Предназначены для длительной эксплуатации в окислительных средах. Недостаток: высокая чувствительность термоэлектродов к любым загрязнениям, появившимся при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопар
ТВР	Обладают: — возможностью длительного применения при температурах до 22О0°С в неокислительных средах; — устойчивостью в аргоне, гелии, сухом водороде и азоте. Термопары с термоэлектродами из сплава платины с 10% родия относительно электрода из чистой платины могут использоваться как стандартные для установления номинальных статических характеристик термопар методом сравнения. Недостаток – плохая воспроизводимость термоЭДС, вынуждающая группировать термоэлектродные пары по группам с номинальными статическими характеристиками А-1, А-2, А-3
ТНН	Обладают: — высокой стабильностью термоЭДС (по сравнению с термопарами ТХА, ТПП, ТПР); — высокой радиационной стойкостью; — высокой стойкостью к окислению электродов. Предназначены в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0-1230°С

 

В зависимости от конструкции и назначения различают термопары погружаемые и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д. Основные характеристики некоторых современных моделей термопар представлены в таблице 5.

 

Таблица 5 – Основные характеристики некоторых современных термопар

Тип прибора	ETI-2001	ETI-2002	ETI-2003
Число диапазонов	2	1	1
Диапазон измерений,°С	-49,9...199,9(1) -50...1000(2)	-49,9...199,9	-50...1000
Разрешение	0,1°C(1)	0,1°С	1°С
Точность	±0,5°С+1%(1)) ±1°С ±0,5%(2)	±0,5°С ±1%	±1°С ±0,5%
Тип сенсора	ТХА термопара (К тип)
Тип индикатора	ЖК, высота знака 13 мм
Размеры	141x73x35 мм
Вес	220 г	210 г	210 г

 

Термоэлектроды в термопарах, как правило, соединяют сваркой или пайкой серебренным или оловянным припоем. Эти соединения образуют рабочий спай термопреобразователя. По всей остальной длине термоэлектроды изолируют друг от друга. В большинстве случаев изолированные электроды помещают в защитный чехол с головкой. Такой чехол предохраняет электроды от вредного воздействия измеряемой среды, а головка упрощает соединение термоэлектродов с удлинительными и соединяющими проводами.

Пирометры – принцип действия основан на зависимости параметров излучения от температуры измеряемого тела или среды. Пирометры позволяют производить измерения температуры бесконтактным методом. Пирометры могут измерять температуру от 30 до 4000 градусов цельсия (но не в рамках конкретного конструктивного исполнения). Однако, точность измерения зависит от целого ряда факторов: состояния поверхности измеряемого объекта, наличием промежуточной среды между пирометром и объектом, запылённостью, наличием паразитных источников излучения и т. п. Пирометры обычно поставляются вместе с пирометрическими преобразователями разных типов, выдающих выходной сигнал по напряжению и току, также в комплект могут быть включены блоки запоминания, индикации, линеаризации.