CC BY
112
УДК 531.741 Трофимов А.А.
«Научно-исследовательский институт физических измерений», г. Пенза.
ДАТЧИК УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ЦИФРОВЫМ ВЫХОДОМ
Эффективность развития и эксплуатации современных автоматизированных систем контроля и управления различными технологическими процессами во многом определяется технико-экономическими характеристиками первичных средств сбора и обработки информации, среди которых значительный удельный вес имеют первичные преобразователи (датчики) [1+5].
Информация с датчиков о контролируемых процессах поступает в автоматизированные системы управления [б], и её достоверность определяется метрологическими и надёжностными характеристиками датчиков. При этом к датчикам угловых перемещений предъявляется широкий комплекс метрологических и эксплуатационных требований, зачастую противоречащих, а иногда и исключающих друг друга.
Одним из основных требований является сохранение высоких метрологических характеристик при воздействии жестких дестабилизирующих факторов: механических ударов, вибрации, линейных ускорений, влажности, широкого диапазона воздействующих температур. Другим немаловажным требованием является наличие минимальных габаритных размеров и массы датчика.
Для решения этой задачи разработан взаимоиндуктивный датчик перемещений, отличающийся малыми габаритными размерами и высокой точностью при работе в жестких условиях эксплуатации. Конструктивная схема датчика представлена на рисунке 1, а 3-D модель - на рисунке 2.
12 3 4
Рисунок 1 - Конструктивная схема датчика
Датчик состоит из корпуса 1, статора 2, в кольцевых проточках которого расположены обмотки возбуждения и считывания 5,6, ротора 3 с перфорированными окнами и кабельной перемычки? оканчивающейся розеткой типа МР. Выводы обмоток припаяны к штырям контактной колодки 4. Ротор располагается снаружи статора. Статор закреплён в отверстии корпуса, ротор установлен на подшипниках качения 7.
По принципу преобразования датчик является дифференциальным трансформатором. Угловое перемещение объекта контроля преобразуется во вращательное движение узла ротора относительно статора. Поворот ротора относительно статора при подаче на обмотки возбуждения напряжения питания приводит к появлению переменной ЭДС (Е) в двух обмотках считывания, которые соединены между собой последовательно встречно [7].
Рисунок 3 - Фотография датчика угловых перемещений и вторичного преобразователя Амплитуда ЭДС зависит от положения ротора относительно полюсов статора.
E = юі
w:w2
v 1 5
Z---+----+
E0S
P
cm
юФ2
(1)
где w - круговая частота тока питания; I - амплитуда тока питания; W1W2 - количество витков питающей и измерительной обмотки; m - магнитная проницаемость участка магнитопровода; l - длина участка магнитопровода; Si - площадь поперечного сечения участка магнитопровода; Цо - магнитная проницаемость воздушного зазора; S - площадь поперечного сечения воздушного зазора; Рш - мощность потерь на гистерезис и вихревые токи; Ф - действующее значение магнитного потока.
Графики изменения амплитуды ЭДС в зависимости от угла поворота якоря с каждой из секций и со всей измерительной обмотки представлены на рисунке 4. В виду того, что магнитные потоки, пронизывающие секции измерительной обмотки, направлены в одну сторону, а секции включены последовательно встречно, общая эдс, снимаемая со всей измерительной обмотки, будет равна разности эдс секций.
Рисунок 4 - Выходные характеристики датчика
Дифференциальное исполнение датчика позволяет избавиться от аддитивной составляющей температурной погрешности и несколько снизить мультипликативную составляющую
Полученный таким образом электрический сигнал через разъем поступает на вход вторичного преобразователя. Структурная схема вторичного преобразователя приведена на рисунке 5.
ФНЧ;
* пнт
Датчик
] С «і
CW2
Рисунок 5 - Структурная схема вторичного преобразователя для датчика угловых перемещений Преобразователь реализован на микроконтроллере PXC18F2523, в состав которого входит 12-ти разрядный АЦП с входным коммутатором. Обмотка возбуждения датчика питается от источника синусоидального тока с частотой 10 КГц, в состав которого входят 8-ми разрядный ЦАП, фильтр нижней частоты ФНЧ1 и преобразователь напряжение-ток ПНТ. ЦАП управляется микроконтроллером.
Напряжения U1 и U2 обмоток считывания датчика через фильтры нижней частоты ФНЧ2 и ФНЧ3 подаются на вход АЦП. Измерение амплитуд напряжений производится в моменты максимума сигналов. Оцифрованные значения амплитуд напряжений U и U2 используются для расчета кода перемещения N по формуле:
*='"i+ф', (2)
где k1, k2 - нормирующие коэффициенты; k t - поправочный температурный коэффициент.
Значения нормирующих и поправочного коэффициентов определяются в процессе настройки датчика и хранятся в памяти микроконтроллера. Для введения температурных поправок один раз в минуту производится измерение омического сопротивления обмотки возбуждения датчика, которое изменяется в зависимости от рабочей температуры. Для этого по команде микроконтроллера источник питания обмотки возбуждения датчика в течение 10 мс вырабатывает постоянный ток силой в 1 мА. Падение напряжения на первичной обмотке, зависящее от температуры, оцифровывается, и в зависимости от полученного результата задается значение k t.
Связь датчика с внешней аппаратурой производится по интерфейсу RS232. В зависимости от внешних сигналов управления возможно изменение формата выходного кода - в относительных единицах или в единицах перемещения - и изменение периодичности проведения температурной коррекции.
Основные технические характеристики датчика приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные технические характеристики датчика угловых перемещений
Наименование Значение
Диапазон измерений, град 0-160
Основная приведенная погрешность, %, не более 0,2
Выходной сигнал последовательный двоичный код
Рабочая температура, оС от минус 60 до 100
Масса датчика, кг о и
Масса вторичного преобразователя, кг 0,3
Вибрация, g 40
Частота, Гц 5. . .5000
Из приведенных в таблице характеристик можно сделать вывод, что применение новой технологичной малогабаритной конструкции и использование микропроцессорной обработки сигнала позволило создать датчик угловых перемещений с цифровым выходом, имеющий расширенный диапазон измерений и меньшее значение основной погрешности по сравнению с ранее разработанными.
ЛИТЕРАТУРА
1. Трофимов А.А., Трофимов А.Н. Взаимоиндуктивные датчики перемещений: моногр. Пенза: Изд-тво Пенз. гос. ун-та, 2009. - 174 с.
2. Баринов И.Н., Волков В.С. Высокотемпературные полупроводниковые датчики давления с повышенной временной стабильностью // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2011.-№8.-С.51-55.
3. Баринов И.Н., Волков В.С. Использование системы при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.-2011.-№7.-С.50-54.
4. Баринов И.Н., Волков В. С. Повышение долговременной стабильности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давлений // Приборы.-2010.-№3.-С.9-15.
5. Баринов И. Н. Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры «кремний-на-диэлектрике» // НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО — 2013: тр. Междунар. симп.: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - 2 т. - С. 169.
6. Дмитриенко А.Г., Трофимов А.Н., Трофимов А.А. Вопросы разработки унифицированных конструкций датчиков для перспективных систем измерения и контроля специальной техники // Измерительная техника. - 2010. - № 10. - С. 18-21.
7. Баринов Н.И., Трофимов А. А. Датчики углового положения для внутритрубного профилемера // Датчики и системы. - 2004. - № 2. - С. 37-39.
