Исследование потенциометрических преобразователей

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

 

Цель работы

 

Исследование характеристик потенциометрических преобразователей (датчиков угла поворота вала), в которых потенциометры используются в качестве делителей напряжения.

 

Краткие теоретические сведения

Зона нечувствительности

Щетка потенциометра соприкасается с локальными частями витков. Модель ненагруженного (R₂= ) потенциометра можно рассматривать в виде, представленном на рис. 2.3, где обозначено:

Рис. 2.3

 

R_вi – сопротивление i-го витка, ;

h_i – расстояние между контактными площадками (i-1)-го и i -го витков, .

Сначала считаем, что R_вi=R=const, h_i = , где - диаметр провода.

Статическая характеристика U₂=U₂() ненагруженного потенциометра в этом случае зависит от ширины щетки. Для обеспечения условия непрерывности протекания тока в нагрузку щетка должна иметь ширину . Щетка, скользя вдоль зачищенных участков витков, постоянно контактирует либо с одним витком, либо с двумя одновременно. При этом общее сопротивление R₁ потенциометра равно nR_в, если щетка касается одного витка, и R₁=(n-1)R_в, если она касается двух витков. Пусть при нулевом положении (U₂=0) центр щетки находится на середине площадки 1-го витка. При смещении щетки на /2 ее правая часть коснется площадки 2-го витка. Изменения U₂ не произойдет, так как левый конец еще контактирует с точкой, потенциал, которой принят за нуль. При увеличении смещения контакт щетки с площадкой 1-го витка разрывается. В момент разрыва напряжение U₂ скачком возрастает на величину U_в=U₁/n. При дальнейшем перемещении на величину, примерно равную 1,5 , правый конец щетки коснется площадки 3-го витка, закоротив второй виток. В момент закорачивания витка напряжение на каждом из остальных витков увеличится до величины U₁/(n-1). Затем разорвется контакт щетки с площадкой 2-го витка и т.д. В результате статическую характеристику рассматриваемого датчика можно представить в виде, показанном на рис. 2.4. Ширина малых скачков зависит от Рис. 2.4

величины перекрытия щеткой контактных площадок соседних витков. Чем она меньше, тем меньше .

При изготовлении потенциометров возникает ряд случайных производственных погрешностей (непостоянство диаметра провода, непостоянство шага намотки и натяжения провода). При этом сопротивления R_вi витков становятся различными.

Это приводит к тому, что скачки характеристики U₂=U₂() имеют различные амплитуды и различные длительности. Из рассмотренной характеристики следует, что ширина зоны нечувствительности примерно равна диаметру провода. На каркасе, как правило, стремятся разместить как можно больше витков, используя для обмотки тонкий провод, диаметром от = 20 50мкм. Для уменьшения зоны нечувствительности или уменьшения U_в применяют специальные конструкции потенциометров.

Одна из них называется спиральным потенциометром, у которого обмотка намотана на изолированную проволоку. Проволока с обмоткой укладывается в канавку, прорезанную на поверхности барабана. Задающая ось, вращая барабан, одновременно вращает винт с червячной гайкой, на которой закреплена токосъемная щетка. Перемещение гайки за 1 оборот барабана соответствует шагу укладки проволоки на барабане.

 

Люфт передачи и трение

Люфт передачи задающий вал-щетка, трение щетки вызывают дополнительные погрешности потенциометрического преобразователя. С целью их уменьшения в передаче используют пружины, выбирающие люфт, и применяют потенциометры с обмотками из благородных металлов с малой силой трения щетки.

 

Влияние нагрузки

Выше рассматривался ненагруженный делитель напряжения. Если же нагрузка потенциометра будет потреблять ток (делитель нагружен), то это вызовет дополнительные статические и динамические отклонения реального выходного напряжения U₂ от расчетного U_2p=K_na, так как реальное напряжение U₂ зависит от величины и характера нагрузки. Статические отклонения приводят к дополнительной неравномерности характеристики преобразователя, а динамические отклонения возникают в тех случаях, когда нагрузка содержит реактивные сопротивления. При реактивных сопротивлениях в нагрузке напряжение U₂ зависит не только от положения щетки, но и от характера ее движения, определяемого скоростью, ускорением и т.д. Кроме этого, статические и динамические погрешности преобразователя, обусловленные нагрузкой, зависят и от его конкретной схемы. В табл. 2.1 приведены 5 конкретных схем преобразователей и результаты анализа дополнительных отклонений статической характеристики от расчетной, обусловленных влиянием конечного активного сопротивления нагрузки. В пп. 1,2 приведены схемы простейших делителей напряжения, у которых напряжение U₂ нагрузки может изменяться от нуля до напряжения питания без изменения знака. В пп. 3-5 представлены схемы делителей напряжения, у которых напряжение U₂ изменяет знак.

Методику анализа степени неравномерности характеристик проиллюстрируем примером исследования схемы, показанной в п.1 [1].

Выходное напряжение U₂ схемы пропорционально току I₂ нагрузки, т.е.

U₂=I₂R₂. (2.1)

Ток I₂ по теореме об эквивалентном генераторе, известной из курса ТОЭ, выражается

, (2.2)

где U_xx – напряжение на щетке при R₂= ,

R_вн – внутреннее сопротивление схемы.

 

 

Считая потенциометр идеальным, принимаем U_xx=sU₁, где s=a/a_m – относительный угол поворота щетки. Внутреннее сопротивление R_вн для данной схемы имеет вид:

R_вн=R₁s(1-s). (2.3)

Подставляя (2.2), (2.3) в (2.1), имеем

, (2.4)

где g=R₂/R₁ – коэффициент нагрузки. Относительная неравномерность характеристики:

e= , (2.5)

где U_2m – наибольшее значение напряжения U₂, равное в данном случае значению U₁;

U_2p – расчетное значение, U_2p =sU₁. Поэтому

e= . (2.6)

Подставив в равенство (2.6) выражение (2.4), получим

e= . (2.7)

Знак минус указывает на то, что фактическое напряжение U₂ меньше расчетного. Оценим величину e_m. Так как для всех величина , а коэффициент практически должен быть больше 1, то выражение (2.7) можно упростить, считая

e .

Величина e_m оценивается максимумом функции e=e(s). Поэтому из условия

,

следует, что e_m будет наблюдаться при . На рис. 2.5приведено семейство характеристик U₂=U₂(s,g) преобразователя, реализующего схему, приведенную в п.1 табл.2.1. Выражения для выходных напряжений и оценки относительной неравномерности e_m для остальных схем, получаемые по рассмотренной методике, приведены в табл. 1.

Рис. 2.5

С целью уменьшения влияния нагрузки рекомендуется выбирать .Динамические погрешности, возникающие при наличии реактивных сопротивлений в нагрузке, анализируются в работе [1]. Здесь они не рассматриваются.

 

Таблица 2.1

№ п/п	Схема преобразователя	Rвн	U2	e=
		Rвн=R1s(1-s); s=a/am;	g=R1/R2; U2m=U1	e=- em=4/27g при s=2/3
		s=a/am;	; U2m=U1	e= em=0.1/g при e=0.2 и s=0.8
		s=a/am;	g=R2/R1;	e= em=1/27g при s=1/3
		Rвн=0.5R3+0.25* *(1-s)R1; s=a/am;	g=R2/R1; b=R3/R1; U2m=U1g/(b+2g)	e= em= при s=1/3
		Rвн=0.5R1(1-s^2); s=a/am;	g=R2/R1; U2m=U1	e= em= при s=1/3

 

В схемах 3, 4, 5 отсчет производится от средней точки потенциометра.

Содержание отчета

 

1. Схемы преобразователей и теоретические значения e_m для преобразователей, представленных в табл. 1.

2. Таблица 4.1.

3. Схема исследуемого преобразователя, таблица 4.2, соответствующие графики и анализ результатов сравнения полученных значений с теоретическими.

4. Схема исследуемого преобразователя, таблица 4.3, соответствующий график и вывод об эффективности шунтирования нагрузки.

5. Схема исследуемого преобразователя, соответствующий график и анализ сравнения e_m.

6. Схема исследуемого преобразователя, результаты измерений и их анализ.

7. Схема преобразователя рассогласования.

 

Контрольные вопросы

 

1. Из каких соображений выбирается наибольшее напряжение питания потенциометров?

2. Какое влияние на статическую характеристику потенциометра делителя напряжения оказывают провода обмотки, число ее витков, ширина щетки?

3. Перечислите меры, используемые для уменьшения зоны чувствительности потенциометрических преобразователей.

4. Что такое степень неравномерности потенциометра? На какие классы делят потенциометры по степени неравномерности?

5. В каком случае выходное напряжение преобразователя зависит от скорости перемещения щетки?

6. Какие из схем, содержащихся в таблице 2.1, соответствуют однотактным преобразователям?

7. Какие из схем, содержащихся в таблице 2.1, соответствуют двухтактным преобразователям?

8. В каком соотношении должны находиться сопротивление нагрузки и сопротивление потенциометра с целью уменьшения влияния нагрузки на степень неравномерности статической характеристики?

9. Каким образом нестабильность напряжения источника питания скажется на статической характеристике преобразователя?

10. Какие параметры напряжения U_e в схеме потенциометрического моста переменного тока определяют величину рассогласования и его знак?

 

Библиографический список

1. Устройства и элементы систем автоматического регулирования. Книга 1. Измерительные устройства, преобразующие элементы и устройства /Под ред. В.В.Солодовникова. М.: Машиностроение, 1973, с. 577-584.

2. Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления: Учебник для среднего профессионального образования. М.: Академия, 2006, с. 44-51.

Лабораторная работа №2

Цель работы

Изучение принципов действия преобразователей угол-код, особенностей фазовращателя БИФ 112, оценка точности функционирования основных узлов.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Включить блоки питания. Отрегулировать напряжения +15 В; -15 В; +5 В и подать на питание преобразователя.

2. Включить генератор, установить частоту кГц и амплитуду 15 В. Подать его напряжение на обмотку 1 – 2 БИФ.

3. При произвольном угле убедиться, что на выходе преобразователя имеется сигнал (свечение светодиодов УИ).

4. Проверить преобразование предельных значений:

а) установить по шкале привода (код 0…….0) и сравнить с кодом на выходе УИ.

б) установить (код 1……..1) и сравнить с кодом на выходе УИ.

При совпадении кодов далее выполнять п.6.

5. При несовпадении кодов сообщить преподавателю. Преобразователь либо неисправен, либо нуждается в подстройке. По указанию преподавателя осуществить подстройку следующим образом:

а) установить ;

б) подключить осциллограф в т. 11 и измерить период T_и заполняющих импульсов;

в) выставить по шкале генератора частоту колебаний f_r=1/(255T_и);

г) подключить осциллограф в т. 6. Подстроить значение постоянной времени дифференцирования;

д) повторить п. 4.

6. Снять таблицу значений статической характеристики преобразователя N_i=N(). Результаты занести в таблицу 4.1.

N_a - число, соответствующее коду угла поворота ротора;

N() – число, соответствующее коду, высвечиваемому УИ.

 

Таблица 4.1

, ^0

359.5

Na

N()

e, %

 

Вычислить наблюдаемые значения степени неравномерности статической характеристики

,

занести их в таблицу 4.1 и определить

.

7. Подключить осциллограф в т. 10 и снять таблицу значений зависимости T=T(). Результаты занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

, ^0												359.5
Т ^.10^-4,с
, %

 

Вычислить наблюдаемые значения степени неравномерности преобразователя Т=Т()

,

где К_Т=1/(360f_r), занести их в таблицу 4.2. Определить

.

8. Подключить входы осциллографа к т. 3 и 4. Снять таблицу значений U₃=U₃(); U₄=U₄(), где U₃, U₄ – амплитуды колебаний ; . Результаты измерений занести в таблицу 4.3.

Таблица 4.3

, ^0

U3()

U4()

 

Содержание отчета

 

1. Цель работы.

2. Краткая характеристика исследуемого преобразователя, его функциональная схема.

3. Значения частот f_н, f_r, f_кmax, определенные в процессе выполнения работы.

4. График статической характеристики преобразователя угол – код N=N(), построенной по результатам табл. 4.1.

5. График статической характеристики преобразователя угол – длительность, построенной по результатам табл. 4.2.

6. График статической характеристики БИФ–112 U₃ (), U₄ (), построенный по данным табл. 4.3.

7. Выводы о распределении погрешностей по блокам и эффективности исследуемого преобразователя угол – код в целом.

 

Контрольные вопросы

 

1. Каким образом ВТ используют в качестве ФВ?

2. На основе данных, приведенных в табл. 2.1 описания работы, охарактеризуйте кратко каждый из отмеченных там ФВ.

3. Перечислите погрешности, наблюдаемые в ФВ. Какие, на Ваш взгляд, переделки следует внести в схему макета, чтобы уменьшить погрешности, имеющие место в макете?

4. В какой зависимости должны находиться частоты f_r и f_н в правильно построенном преобразователе? Каким образом можно обнаружить, что зависимость нарушена?

5. Из каких простейших преобразователей состоит схема преобразователя угол – код, реализованная в макете?

6. Какую функцию выполняет кодовая шкала? Как определить код угла поворота по его градусной мере и наоборот?

7. Какие функции выполняют ОУ1 и ОУ2 в преобразователе угол – фаза? Какие погрешности появятся при замене их пассивными R-C элементами?

8. Из каких условий выбирается величина постоянной времени дифференцирования?

9. С какой целью в схему преобразователя введены компараторы? К каким последствиям приведет их замена элементами ТТЛ логики?

10. Какие условия следует учитывать при выборе частоты заполняющих импульсов?

11. Какому условию должна удовлетворять частота f_к квантования угла в цифровой САР, использующей исследуемый преобразователь угол – код?

12. Пусть заполняющие импульсы представляются как последовательность чередующихся 0 и 1. Какую из последовательностей: а) 010101…; б) 101010… следует использовать в преобразователях длительность импульса – число – код?

13. На основе результатов работы охарактеризуйте основные источники погрешностей, обусловившие полученную степень неравномерности статической характеристики.

14. В каких случаях код угла, вырабатываемый преобразователем можно передать по общей шине?

 

Библиографический список

1. Вульвет Д.Ж. Датчики в цифровых системах: Пер. с англ./ Под ред. А.С.Яроменка. М: Энергоиздат, 1981. 200с.

2. Фотоэлектрические преобразователи информации /Под ред. Л.Н.Преснухина. М.: Машиностр. 1974. 376с.

3. Ахметжанов А.А. Высокоточные системы передачи угла автоматических устройств. М.: Энергия, 1975. 288с.

4. Высокоточные преобразователи угловых перемещений /Под ред. А.А.Ахметжанова. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128с.

5. Справочник по средствам автоматики /Под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 339-348.

 

 

Лабораторная работа №3

Содержание отчета

1. Осциллограммы, снятые по пп. 2.3 и 4.4.

2. По регулировочной характеристике усилителя без обратной связи определить коэффициент кратности тока .

3. По снятым регулировочным характеристикам определить экспериментальные значения усилителя без обратной связи, и , а также для МУС.

4. Используя основной закон магнитного усилителя и данные, полученные в пп. 2.5 и 3.3, определить теоретические значения для усилителя без обратной связи и и . Сделать вывод о влиянии обратной связи на коэффициент усиления.

5. Результаты выполнения п. 4.3.

6. По регулировочной характеристике МУС определить коэффициент усиления по мощности согласно выражению (6.2). При расчете необходимо использовать ток нагрузки , полученный при .

 

Контрольные вопросы

1. Почему магнитный усилитель выполняется на двух сердечниках? Как правильно соединить его рабочие обмотки?

2. Почему при изменении тока управления изменяется ток нагрузки?

3. Пояснить основной закон магнитного усилителя.

4. Какой физический смысл имеют режимы холостого хода и короткого замыкания? От чего зависит кратность регулирования?

5. Объяснить влияние обратной связи на коэффициенты усиления.

6. Объяснить вид регулировочной характеристики МУС.

7. Объяснить работу МУС при положительных токах управления.

 

Библиографический список

1. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1983. 408 с.

2. Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики/Под ред. Ю. А. Сабинина. СПб.: Политехника, 1995.

3. Преображенский А.А., Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства информационно-измерительной техники: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1982. 264 с.

 

Лабораторная работа №4

Цель работы

Изучение принципа действия и исследование основных характеристик конденсаторного асинхронного двигателя.

 

Содержание отчета

 

1. Графические зависимости при различных напряжениях на обмотках двигателя. Значения момента М по известному току якоря находятся следующим образом [1].

По паспортным данным двигателя СЛ 369 определяют электромагнитный коэффициент:

, где .

После этого вычисляют . Если берется в амперах, то значение М получают в .

2. Графические зависимости при различных значениях момента нагрузки.

3. По паспортным данным рассчитать номинальный вращающий момент двигателя ДКС-1, используя выражение , причем .

После этого определить значение максимального вращающего момента и пусковой момент .

4. Определить значение критического скольжения . Примерный вид зависимости представлен на рис.4.1. Рис. 4.1

Для этого необходимо воспользоваться следующим приближенным выражением для электромагнитного момента асинхронного двигателя [2]:

.

При вычислении необходимо использовать то обстоятельство, что при . В результате получаем два возможных значения критического скольжения, из которых искомым является такое значение , которое соответствует физическим представлениям, т.е. .

Контрольные вопросы

1. Пояснить принцип действия электрической машины переменного тока.

2. Почему двигатель называется асинхронным?

3. Объяснить конструкцию и схему включения конденсаторного асинхронного двигателя.

4. Что представляет собой круговое поле в двигателе и каковы условия его получения?

5. Чем характерно эллиптическое поле?

6. В каких режимах может работать асинхронная машина?

7. Объяснить механическую характеристику асинхронного двигателя.

8. Каким образом выбирается емкость рабочего конденсатора?

9. Назначение пускового конденсатора.

10. В чем суть различных способов управления исполнительными асинхронными двигателями?

11. За счет чего достигается линейность регулировочной и механической характеристик исполнительных двигателей по сравнению с аналогичными характеристиками для силовых двигателей?

12. Что такое критическое скольжение ?

13. В каких точках механической характеристики будет наблюдаться устойчивая работа двигателя?

14. Из каких соображений выбирают ?

Библиографический список

1. Волков H. И., Миловзоров В. П. Электромашинные устройства автоматики: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика». 2 изд., перераб. и доп. М.: Высш.шк., 1986. 335 с.

2. Сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматики: Учебник для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. 408 с.

3. Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики/Под. Ред. Ю.А.Сабинина. Спб.: Политехника, 1995.

4. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. /Под общ. ред. И.П.Копылова, Б.К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1989. Т.2,688 с.

5. Юферов Ф.М.Электрические машины автоматических устройств. М.: Высшая школа, 1998.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

 

Цель работы

 

Исследование характеристик потенциометрических преобразователей (датчиков угла поворота вала), в которых потенциометры используются в качестве делителей напряжения.