МДК.03.01. Автоматизированные системы управления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ

Краевое государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

«Дивногорский гидроэнергетический техникум имени А.Е. Бочкина»

 

 

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Для студентов дневного и заочного отделений

специальности 13.02.03 “Электрические станции, сети и системы”

по ПМ03. “Контроль и управление технологическими процессами ”

МДК.03.01. Автоматизированные системы управления

В электроэнергетических системах.

Часть 1

Автоматизированные системы управления

На гидроэлектростанциях

Г.

 

 

Рассмотрена и одобрена        на заседании комиссии профессионального цикла специальностей ГЭЭУ, СиЭИС, ЭССиС Протокол № ____               от «____» ________ 2020г. Председатель комиссии _____________ Е. Л. Филина

УТВЕРЖДАЮ: Заместитель директора по учебной работе ___________ Е.А. Боровенко «____» ___________2020 г

 

 

Рабочая программа профессионального модуля ПМ-03. “Контроль и управление технологическими процессами” разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальностям среднего профессионального образования 13.02.03 «Электрические станции, сети и системы»

 

Организация-разработчик: Краевое государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

«Дивногорский гидроэнергетический техникум имени А.Е.Бочкина»

 

Разработчик:   Докин В.В. преподаватель ДГЭТ.

 

Содержание

	Введение	9
1	Раздел. Общие сведения по автоматизации гидроэлектростанций	11
1.1	Тема. Объекты автоматизации	11
1.2	Тема. Задачи автоматизации гидроэлектростанций	12
	Контрольные вопросы к разделу «Общие сведения по автоматизации гидроэлектростанций»	13
2	Раздел. Основные понятия об элементах и системах  автоматики	15
2.1	Тема. Элементы систем автоматики	15
2.2	Тема. Основные понятия о системах автоматики	16
2.3	Тема. Понятия об автоматическом регулировании	19
2.3.1	Регулятор скорости вращения гидравлической турбины	19
2.3.2	Характеристики переходного процесса регулирования	20
	Контрольные вопросы к разделу «Основные понятия об элементах и системах автоматики»	25
3	Раздел. Датчики	26
3.1	Тема. Классификация датчиков	26
3.2	Тема. Датчики перемещения	27
3.2.1	Контактный концевой выключатель рычажного типа	27
3.2.2	Путевые (конечные) переключатели	27
3.2.3	Микропереключатели	29
3.2.4	Реостатные и потенциометрические датчики	30
3.2.5	Индуктивные датчики	32
3.2.6	Реверсивные индуктивные датчики	33
3.2.7	Емкостные датчики	36
3.2.8	Датчики производственных параметров на основе эффекта Холла	37
3.З	Тема. Датчики силового воздействия	38
3.3.1	Жидкостный манометр	38
3.3.2	Пружинные манометры	40
3.4	Тема. Тензометрические и пьезоэлектрические датчики	44
3.4.1	Пьезоэлектрический датчик	44
3.4.2	Тензометрический датчик	47
3.5	Тема. Оптоэлектронные преобразователи	50
3.5.1	Излучатели	50
3.5.2	Приемники излучения	52
3.6	Тема.  Селективные фотоэлектрические датчики	53
3.6.1	Фотоэлемент с внешним фотоэффектом	53
3.6.2	Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом–фоторезисторы	54
3.7	Тема. Датчики температуры	55
3.7.1	Биметаллический элемент	56
3.7.2	Терморезисторы	56
3.7.3	Термисторы	58
3.7.4	Термоэлектрические датчики – термопары	59
3.7.5	Манометрический чувствительный элемент	62
3.8	Тема. Датчики расхода жидкости	63
3.8.1	Скоростной воспринимающий элемент	63
3.8.2	Объёмный воспринимающий элемент	64
3.8.3	Ротационные счетчики	65
3.8.4	Поршневые счетчики	65
3.8.5	Датчик с элементом переменного перепада	65
3.9	Тема. Датчики для измерения уровня	67
3.9.1	Визуальные уровнемеры	68
3.9.2	Поплавковые уровнемеры	68
3.9.3	Дифференциальные манометры	69
3.9.4	Емкостные уровнемеры	70
3.9.5	Ультразвуковые уровнемеры	71
3.10	Тема. Тахометрические датчики	72
3.10.1	Электрические тахогенераторы постоянного тока	73
3.10.2	Асинхронный тахогенератор.	74
3.10.3	Импульсные тахогенераторы	76
3.10.4	Магнитоиндукционные тахометры	77
3.10.5	Сельсины (синхронный вал)	77
3.11	Тема. Датчики положения	78
3.11.1	Позиционные датчики положения	78
3.11.2	Датчик с переменным магнитным сопротивлением	79
3.12	Тема. Типовые способы измерения производственных параметров	79
3.12.1	Мостовая измерительная схема	80
3.12.2	Дифференциальная измерительная схема	80
3.12.3	Компенсационная измерительная схема	81
3.12.4	Погрешности датчиков	82
	Контрольные вопросы к разделу «Датчики»	83
4	Раздел. Усилители	85
4.1	Тема. Общие сведения об усилителях	85
4.2	Тема. Электромагнитные усилители	87
4.2.1	Дроссельный магнитный усилитель	87
4.2.2	Дроссельный магнитный усилитель на двух сердечниках	90
4.3	Тема. Электромашинные усилители (ЭМУ)	91
4.4	Тема. Электронные усилители	93
4.5	Тема. Гидравлические усилители	95
4.5.1	Схема гидроусилителя на основе отсечного золотника.	95
4.5.2	Дроссельные гидравлические усилители типа сопло - заслонка.	97
4.6	Тема. Пневматические усилители	99
4.6.1	Поршневые пневматические усилители	99
4.6.2	Мембранные пневматические усилители	100
4.6.3	Струйные пневматические усилители	102
4.7	Тема. Стабилизаторы напряжения	103
	Контрольные вопросы к разделу «Усилители»	104
5	Раздел. Исполнительные устройства	105
5.1	Тема. Общие сведения	105
5.2	Тема. Электромагнитные исполнительные устройства	105
5.2.1	Электромагниты	105
5.2.2	Электромагнитные вен­тили	108
5.3	Тема. Электромагнитные муфты скольжения	110
5.4	Тема. Электродвигательные исполнительные устройства	113
5.4.1	Исполнительные устройства с двигателями постоянного тока	113
5.4.2	Исполнительные устройства с двигателями переменного тока	115
5.4.3	Синхронные шаговые электродвигатели	117
5.5	Тема. Гидравлические исполнительные устройства	118
5.6	Пневматические исполнительные устройства	120
5.6.1	Пневмопривод с струйным распределительным устройством	120
5.6.2	Мембранный пневмопривод	121
	Контрольные вопросы к разделу «Исполнительные устройства»	121
6	Раздел. Автоматика гидроэлектростанций	122
6.1	Тема. Автоматизация хозяйственных насосов	122
6.2	Тема. Автоматизация компрессорных установок	125
	Контрольные вопросы по темам «Насосные и компрессорные установки.	129
6.3	Тема. Маслонапорные установки (МНУ)	130
	Контрольные вопросы к теме «Маслонапорные установки»	134
6.4	Тема. Гидромеханические регуляторы скорости гидротурбины	135
6.4.1	Электрогидравлический регулятор скорости гидротурбины фирмы Броун-Бовери	135
6.4.2	Органы управления регуляторов скорости гидротурбин	137
	Контрольные вопросы к теме «Гидромеханические регуляторы скорости гидротурбины»	139
7	Раздел. Автоматическое регулирование возбуждения синхронных генераторов	141
7.1	Тема. Системы возбуждения синхронных машин	141
7.1.1	Общие сведения	141
7.1.2	Форсировка возбуждения генератора	142
7.1. 3	Электромашинное возбуждение с генератором  постоянного тока	143
7.1.4	Схемы бесщёточного возбуждения	144
7.1.5	Особенности систем возбуждения мощных турбогенераторов	145
7.1.6	Системы самовозбуждения	146
7.1.7	Автоматическое гашение поля генераторов (АГП)	148
	Контрольные вопросы к теме «Автоматическая система возбуждения синхронных генераторов»	149
7.2	Тема. Назначение и виды автоматического регулирования (АРВ)	151
7.2.1	Назначение АРВ	151
7.2.2	Компаундирование возбуждения генераторов	152
	Контрольные вопросы к теме «Назначение и виды автоматического регулирования (АРВ)»	156
8	Раздел. Способы включения синхронных генераторов в сеть	157
8.1	Тема. Общие положения	157
8.2	Тема. Точная синхронизация	157
8.2.1	Условия включения синхронного генератора методом точной синхронизации	157
8.2.2	Автоматический синхронизатор АСТ-4	159
8.3	Тема. Самосинхронизация	161
	Контрольные вопросы к разделу «Способы включения синхронных генераторов в сеть»	162
8.4	Автоматический регулятор напряжения трансформатора	164
9	Раздел. Автоматизация пуска, останова, генераторного режима, режима синхронного компенсатора.	167
9.1	Тема. Объем автоматизации гидроагрегата	167
9.2	Тема. Пуск гидроагрегата	167
9.3	Тема. Нормальный останов гидроагрегата	168
9.4	Тема. Перевод гидроагрегата в режим синхронного компенсатора (СК)	168
9.5	Тема. Перевод агрегата из режима СК в генераторный	169
9.6	Тема. Защита и сигнализация гидроагрегата	169
9.7	Тема. Регулирование режима работы гидроагрегата	171
	Контрольные вопросы к разделу «Автоматизация пуска, останова, генераторного режима, режима синхронного компенсатора»	172
10	Раздел. Групповое регулирование активной и реактивной мощности генераторов	173
10.1	Тема. Основные понятия об автоматическом регулировании частоты и активной мощности ГЭС	173
10.2	Тема. Типовая структурная схема группового управления гидроагрегатами ГЭС по активной и реактивной мощностям	173
10.3	Тема. Принцип работы ПТК ГРРМ	174
10.4	Тема. Принцип работы группового регулятора активной мощности ПТК ГРАМ	175
	Контрольные вопросы к разделу «Групповое регулирование активной и реактивной мощности генераторов»	176
11	Раздел. Общие сведения о системах ПАА	178
11.1	Тема. Причины аварий и отказов на электростанциях и в электрических сетях	178
11.2	Тема. Автоматическая частотная разгрузка (АЧР)	179
11.3	Тема. Автоматическое повторное включение линии (АПВ)	181
11.4   11.5	Тема. Автоматический пуск гидрогенераторов при снижении частоты в энергосистеме Тема. Автоматическое включение резерва питания (АВР)	184   186
11.6	Тема. Высокочастотная связь по линиям электропередач.	188
11.6.1	Применение	188
11.6.2	Каналы связи по высоковольтным линиям	188
11.6.3.	Устройство высокочастотного канала связи по высоковольтной линии	190
	Контрольные вопросы к разделу «Противоаварийная автоматика»	193
	Список используемой литературы.	194

Введение

Содержание данного методического пособия включает в себя материал из разных учебников по автоматизации по автоматизации в электроэнергетических системах, список которых прилагается в конце данного пособия.

Издание данного пособия было вызвано тем, что по данной рабочей программе нет конкретного учебника. Существующие учебники предназначены для студентов высших учебных заведений и содержание их мало понятно для учащихся колледжа энергетического направления. Автор данного пособия, используя свой многолетний практический опыт работы по данному направлению на Красноярской ГЭС, а также опыт преподавания в колледже энергетического направления, систематизировал и упростил материал до понимания его учащимися энергетического колледжа. В пособии рассмотрены, применяемые на электростанциях датчики, усилители, исполнительные устройства, автоматические регуляторы, автоматические системы управления объектами электростанций и принцип их работы, некоторые элементы противоаварийной автоматики.

Автор учёл замечания начальника ЦТАУ Красноярской ГЭС Полякова Дмитрия Геннадиевича и благодарен ему за это.

Данное методическое пособие разработано:

- в соответствии с ФГОС по специальности 13.02.03 «Электрические станции, сети и системы» (базовой подготовки) и рабочей программой профессионального модуля «МДК.03.01. Автоматизированные системы управления в электроэнергетических системах» по ПМ03 “ Контроль и управление технологическими процессами”.

Данное пособие является частью основной профессиональной образовательной программы.

Рабочая программа профессионального модуля может быть использована в дополнительном профессиональном образовании:

- для специальности 13.02.03 - «Электрические станции, сети и системы»

- для специальности 14.02.10 - «Гидроэлектроэнергетические установки»

Цели и задачи данного методического пособия:

Обучения указанным видом профессиональной деятельности и соответствующими профессиональными компетенциями.

Обучающийся в ходе освоения профессионального модуля должен:

знать:

- принцип работы автоматических устройств управления, контроля и сигнализации на гидроэлектростанциях;

- принцип работы устройств регулирования активной и реактивной мощностей на гидроэлектростанциях;

- основные принципы работы противоаварийной автоматики в энергосистеме;

- способы регулирования напряжения на электростанциях и подстанциях;

уметь:

- включать и отключать системы контроля управления;

- обеспечивать бесперебойную работу элементов систем контроля и управления, автоматических устройств регуляторов;

- пользоваться средствами диспетчерского и технологического управления и системами контроля.

 

 

Гидроэлектростанций

Тема 2.2. Основные понятия о системах автоматики.

Системы автоматики делятся на:

- автоматические системы контроля (АСК);

- системы управления (СУ);

- автоматические системы регулирования (АСР).

 

Система управления (СУ).

СУ предназначена для выдачи команды на объект управления с целью проведения в нем технологического процесса (рис.3).

Рис. 3. Система управления (СУ).

Человек, при помощи задающего устройства ЗУ, выдает управляющий сигнал на устройство управления УУ, которое измеряет и преобразует этот сигнал в физическую величину, для воздействия на исполнительное устройство ИУ. ИУ выполняет команду, заложенную в сигнале, и воздействует на управляемый объект (УО). Простейшим примером СУ может служить схема включения станка в работу.

пуск

Магнитный пускатель

стоп

Электро- двигатель

станок

Задающими элементами (ЗУ) служат кнопки “пуск” и “стоп”, устройством управления (УУ) - магнитный пускатель, исполнительным устройством (ИУ) – электродвигатель, управляемым объектом (УО) - станок.

Автоматическая система регулирования (АСР).

АСР поддерживает постоянство регулируемой величины или поддерживает изменение регулируемой величины по заданному закону (рис.2а).

Рис.2а. Автоматическая система регулирования (АСР).

Сигнал I зад от задающего устройства подается на сравнивающее устройство СУ. В СУ происходит сравнение заданного сигнала I зад с сигналом I изм от датчика Д, который показывает измеренную величину на управляемом объекте УО. В СУ высчитывается отклонение dI = I зад– I изм. Если I зад= I изм, то отклонение dI =0, это значит что, объект вышел на заданный режим. Если dI не равно 0, то его значение поступает на вход блока УУ, где оно преобразуется в физическую величину с учетом знака и поступает на блок ИУ для воздействия на объект УО.

Подача измеренной датчиком величины сигнала I изм от объекта УО на сравнивающее устройство является обратной связью.

На рис.2б представлена структурная схема АСР которая поддерживает изменение регулируемой величины по заданному закону. Для этого вместо сравнивающего устройства СУ (см. рис.2б) применено программное устройство, которое поддерживает изменение регулируемой величины по заданному закону.

Под автоматическим регулированием понимается непрерывный процесс поддержания регулируемой величины на неизменном уровне или процесс изменения этой величины по заданному закону при любых внешних возмущающих воздействиях. Такие устройства называются автоматическими регуляторами. Внешними возмущающими воздействиями являются изменение параметров режима объекта управления, а также команды персонала.

Рис.2б. Структурная схема системы автоматического регулирования.

Тема 2.3. Понятия об автоматическом регулировании.

Точность регулирования.

Точность регулирования зависит от погрешностей системы регулирования.

Часто на практике установившийся процесс из-за погрешностей β при отработке отклонения dI протекает с колебаниями I изм около оси I зад, как указано на рис 5.

Погрешность β возникает по разным причинам, из-за:

- статической погрешности регулирования;

- динамической погрешности регулирования;

- погрешности измерений датчика;

- неточности изготовления регулятора, исполнительного механизма (люфтов в шарнирах рычагов и механики, неточная масса грузиков, плохо отрегулированная пружина и т.п.).

Статическая погрешность.

Статические регуляторы поддерживают нестрого постоянное значение регулируемой величины, а с ошибкой, которая называется статической ошибкой.

При изменении нагрузки Р скорость вращения вала ω, поддерживаемая регулятором, изменится на величину d ω, которую называют статической ошибкой или статической погрешностью.

Степень изменения регулируемой величины характеризуется коэффициентом статизма, который определяет наклон характеристики

Р1

2

1

ω 2

ω 1

Р2

ω

Рис.6а. Статическая (1) и астатическая (2) характеристики регулирования.

Р

α1

При статической характеристике, увеличение нагрузки на величину ∆Р приводит к уменьшению скорости вращения турбины на величину ∆ω (рис 6а).

Характеристика с коэффициентом статизма Кс равным нулю называется астатической. Регуляторы с астатической характеристикой обеспечивают постоянство регулируемой величины. Но эта характеристика не позволяет распределить в заданном соотношении величину регулирующего воздействия между параллельно работающими объектами. Для этой цели используются регуляторы с со статическими характеристиками.

 

На рис 6б показаны статические характеристики 1 и 3 для двух регуляторов скорости вращения турбин с разными коэффициентами статизма:

 

 

На графике на рис 6б показаны статические характеристики регуляторов скорости вращения турбин с разными углами наклона α. Из рис 6б следует, например, что при увеличении скорости вращения турбин нагрузится больше та турбина, характеристика которой имеет меньший угол наклона α₁< α₂. Т.е. у первой турбины нагрузка увеличится от Р₁ до Р₂, а у второй турбины только от Р₃ до Р₄.

2

Р4

Р3

Р1

1

ω 2

ω 1

Р2

ω

Рис.6б. Статические (1, 3) и астатическая (2) характеристики регулирования.

Р

α1 1α

α2 1α

3

Динамическая погрешность.

Динамическая погрешность обусловлена реакцией средства измерения на скорость изменения входного сигнала. Эта погрешность зависит от инерционности средства измерения входного сигнала, изменений нагрузки и влияющих величин. На выходной сигнал средства измерений влияют значения входного сигнала и любые изменения его во времени.

Например, изменение нагрузки на турбину требует изменение напора воды (количества топлива) для его работы. Однако подвижные грузики 2 центробежного регулятора и масса турбины обладают определенной инерцией. По этой причине всякое изменение скорости вращения вала сопровождается рассогласованием между изменением количества подаваемого топлива и скоростью вращения вала двигателя. При этом наблюдаются колебания (I изм) - переходной процесс, см. рис 5.

Динамической характеристикой системы автоматического регулирования называется зависимость изменения регулируемой величины от времени в процессе регулирования при возникновении возмущающего воздействия.

Характеристики системы регулирования (рис.7).

Виды переходных процессов.

Пример 1. Идеальный переходной процесс. Автоматическая система регулирования переходит из одного установившегося состояния в другое (рис. 7а). Регулируемый параметр монотонно приближается к новому установившемуся значению Yуст2. В течение переходного процесса Yпер стремится к 0, т. е. происходит уменьшение ординаты Yпер. В этом слу­чае переходный процесс имеет затухающий характер, а сама АСР является устойчивой. Пример 2. Затухающий переходной процесс (практический). Переходный процесс протекает, как показано на рис. 7 в. Система, совершив несколько колебаний около нового установившегося значения регулируемого параметра Yуст2, прихо­дит к установившемуся режиму работы. В этом случае Yпер изме­няется как по абсолютному значению, так и по знаку. Автомати­ческая система, регулирования является устойчивой, потому что с течением времени Yпер стремится к 0. Пример 3. Неустойчивый переходной процесс. Предположим, что в АСР начался переходный процесс в момент t = tt(рис. 7 б). Переходный процесс имеет расходящийся характер, потому что с течением времени Yпер не стремится к нулю, а возрастает и АСР в переходном процессе неустойчива. Монотонные переходные процессы в двух рассмотренных примерах называются также апериодическими пе­реходными процессами.

Рис. 7. Примеры переходных процессов.

В общем случае значение регулируемого параметра в неустановившемся режиме в каждый момент времени

Y = Y уст+ Y пер, где Y уст – установившееся значение регулируемого параметра,

Y пер – переходная составляющая изменения регулируемого параметра, изменяющаяся по времени в течении переходного процесса.

При переходе системы из одного установившегося режима в другой она может оказаться либо устойчивой, либо неустойчивой. Чтобы определить это, необ­ходимо произвести исследование динамики процесса ре­гулирования, т. е. определить закон измерения регули­руемого параметра в функции времени при воздействии на АСР возмущающих факторов. Если Y пер стремится к нулю хотя бы за неограниченно большой отрезок вре­мени, то АСР будет устойчивой. Если с течением времени Y пер не стремится к нулю, то АСР будет неустойчивой. Примеры переходных про­цессов см. на рис. 7.

Контрольные вопросы к зачёту по разделу «Основные понятия об элементах и системах автоматики».

1. Что такое автоматика?

2.  Что такое телемеханика?

3. Назначение датчиков?

4. Какие параметры можно усиливать усилителем?

5. Назначение преобразователя?

6. Что такое исполнительные элементы?

9. Назначение микроЭВМ.

12. Какую функцию выполняет система АСК?

13. Какую функцию выполняет система АСУ?

14. Какую функцию выполняет система АСР?

15. Какова задача регулятора скорости вращения гидротурбины? 16. Какую роль играет пружина и грузики, рычаг АВС, игла форсунки?

16. Пользуясь рисунком регулятора скорости вращения гидротурбины, ответьте на вопросы. На генераторе увеличилась нагрузка. Что произойдёт со скоростью вращения турбины. Как себя поведут элементы регулятора: муфта с грузиками, рычаг АВС, игла форсунки.

17. Пользуясь рисунком регулятора скорости вращения гидротурбины, ответьте на вопросы. На генераторе уменьшилась нагрузка. Что произойдёт со скоростью вращения турбины. Как поведут себя элементы регулятора: муфта с грузиками, рычаг АВС, игла форсунки.

18.Пользуясь рисунком регулятора скорости вращения гидротурбины, ответьте на вопросы. В муфте по ошибке поставили пружину мощнее. Объясните, почему и как изменится скорость вращения гидротурбины.

19.Пользуясь рисунком регулятора скорости вращения гидротурбины, ответьте на вопросы. В муфте увеличили вес грузиков, объясните, почему и как изменится скорость вращения гидротурбины.

 

 

Раздел 3. Датчики.

Индуктивные датчики.

Основаны на изменении индуктивного сопротив­ления электромагнитного дросселя при перемещении одной из подвижных деталей его, обычно якоря. Они широко применяются для измерения малых угловых и линейных механических перемещений, деформаций, контроля размеров деталей, а также для управления следящими устройствами.

Индуктивный датчик представляет собой электромагнитный дроссель с переменным воздyшным зазором δ, обмотка которого включена после­довательно с сопротивлением нагрузки Z _Н (рис.14). Магнитопровод и якорь обычно выполняют из магнитно-мягкого материала. При изменении воздушного зазора δ (входная величина) меняются индуктивность обмотки дросселя, а также сопротивление его обмотки.

Для индуктивного датчика величина сопротивления:

Х _L =2×π× f × L,

где π=3.14, f - частота электрического тока.

L - индуктивность датчика,

где w – число витков обмотки дросселя, Sδ - площадь сечения воздушного зазора, δ - величина воздушного зазора, µ - магнитная проницаемость сердечника.  

Напряжение, снимаемое с датчика Uн=Iн×Zн, где

Ток нагрузки , где

Zдр - полное сопротивление обмотки дросселя,

Zн - сопротивление активно-индуктивной нагрузки.

 

Следует отметить, что при уменьшении величины зазора δ индуктив­ность обмотки дросселя L _др увеличивается, а это в свою очередь приводит к уменьшению тока нагрузки.

 

К достоинствам нереверсивного индуктивного датчика следует отне­сти высокую чувствительность, надежность и долговечность, отсутствие контактных устройств, значительную величину выходной мощности (до сотен вольт-ампер), простоту конструкции и эксплуатации.

Рассмотренные датчики применяют для входных перемещений от 0,001 до 1 мм.

магнитопровод

Uпит

обмотка

δ

якорь

Рис.14. Индуктивный датчик

Zн

Uн

Основными недостатками датчика являются наличие напряжения на выходе при нулевом воздушном зазоре, нелинейность реальной стати­ческой характеристики; возникновение больших усилий между якорем и сердечником дросселя (до нескольких килограммов), которые необходимо преодолевать. От перечисленных недостатков в значительной степени свободны реверсивные датчики, которые имеют чувствительность в 2 раза большую, чем нереверсивные датчики.

Емкостные датчики.

Емкостный датчик представляет собой конденсатор, в котором емкостное сопротивление изменяется при изменении при изменении зазора δ между платинами.

Емкостные датчики с переменной активной площадью пластин часто применяют для измерения линейного и углового перемещения.

Известно, что емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинам; площади пластин; диэлектрической постоянной среды между пластинами. Например, емкость плоского конденсатора определяется по формуле: С=0,088× ε × S /δ

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды (для воздуха ε = 1);

S - активная площадь пластин конденсатора см²;

δ - расстояние между пластинами, см. рис 17. 

Rн

Рис 17. Емкостной датчик.

δ

Uвых

~Uпит

Емкостное сопротивление датчика

В соответствии с формулой можно построить емкостные датчики, в которых преобразование измеряемой неэлектрической величины будет происходить за счет изменения δ, S и ε.

Напряжение Uвых зависит от нагрузки Uвых=Iнагр×Rн

Ток нагрузки зависит от сопротивления емкости Хc.

При перемещении подвижной пластины вверх значение зазора δ уменьшается, что приводит к увеличению емкости датчика, при этом увеличится ток Iнагр в цепи датчика и увеличится напряжение Uвых на выходе датчика.

Для увеличения емкости применяют многоступенчатые емкостные датчики, которые выполняют из нескольких расположенных один под другим пластин.

Емкость таких датчиков в зависимости от конструкции равна от нескольких десятков до нескольких сотен пикофарад.

Рассмотренные датчики позволяют измерять малые перемещения (до десятых долей микрона).

Емкостный датчик с переменной активной площадью пластин представляет собой обычный воздушный конденсатор переменной емкости, в котором при повороте подвижной пластины по отношению к неподвижной пластине изменяется активная площадь плас­тин конденсатора, что приводит к изменению его емкости. Для увеличения чувствительности такого датчика применяют также многопластинчатые емкостные датчики.

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести большое вну­треннее сопротивление, влияние на работу датчика паразитных емкостей (требуется экранировка); необходимость усиления снимаемого сигнала; потребность источника напряжения высокой частоты; сильное влияние изменения температуры и влажности окружающей среды; для достиже­ния максимальной чувствительности монтаж следует производить очень короткими проводами, а это не всегда удобно.

Основными достоинствами емкостных датчиков являются: высокая чувствительность, отсутствие подвижных трущихся деталей; простота конструкции, малые размеры и масса; малый собственный момент; малая инерционность.

Емкостные датчики широко применяют в автоматике для контроля линейных и угловых перемещений, расстояний между деталями, состава физических смесей, температуры, уровня жидкостей, давления, влажности диэлектрических материалов и т. п.

Жидкостный манометр.

Любые перемещения в пространстве происходят только под силовым воздействием на них других тел или полей. Для выявления или измерения силовых воздействий, применяют силовые датчики. Их можно условно разделить на следующие группы:

- датчики давления (непосредственно воспринимающие давление газов и жидкостей),

- датчики деформации твердых тел,

- датчики колебаний.

Давление Р есть сила F, приходящаяся на единицу площади δS:

Р= F / δS.

Жидкостные манометры (рис.19) применяют для измерения малых давлений – до 0.2 МПа (2 кгс/см²). Жидкостные манометры просты в изготовлении и обладают достаточно высокой точностью показаний.

Они бывают U –образные, чашечные, с наклонной трубкой, поп