исследование статической характеристики индуктивного датчика

1. Министерство образования и науки Российской Федерации Саратовский государственный технический университет Балаковский институт техники, технологии и управления ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИНДУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Методические указания к выполнению лабораторнойработы по дисциплине«Элементыи устройствасистем управления» для студентов специальности 220201.65 «Управление и информатика в технических системах» всех форм обучения Одобрено редакционно-издательским советом Балаковского института техники, технологии и управления Балаково 2012 1

2. Цель работы–изучение принципа действия, конструкции и исследо- вание статической характеристикииндуктивного датчика. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ Индуктивные датчикииспользуют совместно с измерительно - пре- образовательными схемами при автоматизации измеренийи регулирова- нии таких величин, какперемещение, давление, расход жидкостейигазов. Индуктивный датчикс плоско - параллельным воздушным зазором (или изменяющейся площадью его поперечного сечения) используется для измерения линейных перемещений объектов управления. Конструктивная схема датчикапредставлена на рис.1. Датчикимеет обмотку, расположен- ную на сердечникеиз электротехнической стали. Магнитный поток в сер- дечнике замыкается через якорь, который может перемещаться относи- тельно сердечника, изменяя тем самым воздушный зазор lна пути магнит- ного потока. Uвых Zн δ 3 U~ 2 x Zдр 1 Рис.1. Конструктивная схема индуктивного датчика с переменным воздушным зазором: 1 –сердечник; 2 –обмотка; 3 –подвижный элемент (якорь) Сила тока, проходящего через обмотку датчика, определяется: U Ι = R2+ Х2 , где U –напряжение питания, В; Z = ?2+ Х2–полное сопротивление обмотки, Ом; 2

3. R–активное сопротивление обмотки, Ом; Х = ω?–индуктивное сопротивление датчика, Ом; ω –круговая частота тока сети, с-1; L–индуктивность обмотки, Гн. Индуктивность обмотки определяется выражением: ?2 Rм, ?Ф ? ? = = где W–число витков обмотки; ? Ф = ?м–магнитный поток в сердечнике; Rм –магнитное сопротивление датчика. Магнитное сопротивление датчикавключаетдве составляющие – магнитноесопротивлениестальных частей (сердечника и якоря) Rсти маг- нитное сопротивлениевоздушного зазора Rв: ?м= ?ст+ ?в, ?? ?я где ?ст= ???0??+ ?я?0?я, lс, lя–длинымагнитных силовых линий в сердечникеи в якоре, м; μс, μя–магнитныепроницаемостисердечника и якоря; μ0= 4π ∙ 10−7Гн/м –магнитная постоянная; Sс, Sя–площадипоперечныхсечений сердечника и якоря, м2; 2? ?в= μ0μвSв, l –длина воздушного зазора, м; μв–магнитная проницаемостьвоздуха, μв = 1; S–площадь поперечногосечениявоздушногозазора, м2. Тогда индуктивное сопротивлениедатчика ωW2 Х = . Rст+2ℓ μ0Sв Из этого следует, что реактивное сопротивление датчикаХобратно пропорциональновеличиневоздушного зазора lмежду сердечником и якорем. 3

4. Выходным сигналоминдуктивного датчикаявляется ток в обмотке. Статическая характеристикаиндуктивного датчикас плоско - параллель- ным воздушнымзазоромописываетсязависимостью: U . I = W2 R2+ω2 Rст+2ℓ μ0Sв В некотором диапазоне изменения воздушного зазора lего магнит- ное сопротивление ?внамного больше магнитного сопротивления стали ?ст, так как магнитная проницаемость стали μсмного больше магнитной проницаемости воздуха(μв = 1). Тогда, пренебрегая ?ст, индуктивное со- противлениедатчикаопределится: ωW2μ0Sв 2ℓ Х = . В этом же диапазоне изменения lреактивное сопротивление Хна- много больше активного сопротивления обмоткиR. Пренебрегая значени- емактивного сопротивления R, получаем 2?ℓ ? = = кℓ, ω?2μ0?в где к - коэффициент передачи. Таким образом, в некотором диапазоне изменения ℓ???< ℓ < ℓ??? статическая характеристика индуктивного датчикаявляется линейной функцией (теоретическая имеет видпрямой (пунктирнаялиния)на рис.2). Реальная статическая характеристика индуктивного датчика(сплошная линия на рис.2)достаточно точно совпадает с теоретическойв диапазоне ℓ???< ℓ < ℓ??? . I, mA Imax Imin l, м lmin lmax Рис.2. Статическаяхарактеристика индуктивного датчика 4

5. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Схема лабораторной установки приведена на рис.3. Особенностью этой схемы является наличие выпрямительного моста Д1…Д4и шунта ?ш для измерения тока магнитоэлектрическим прибором. Rш Рис.3. Схема лабораторной установки ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ При выполнении лабораторной работы необходимо выполнять об- щие правила техники безопасности - установку включать в сеть только после ознакомления с ее устрой- ством и только по разрешению преподавателя; - перед включением установки в сеть предупредить всех присутст- вующих членов бригады; - при обнаружении неисправности (искрение, запах и др.) немедлен- но отключить установку от сети и сообщить преподавателю; - категорически запрещается производить устранение неисправно- стейпри включенном стенде; - работать на установке разрешается в составе бригады. 5

6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Изучить схему лабораторной установки. 2. Снять показания при напряжении питания, равном 20В(переклю- чатель измерительного прибора в положении «90»), при прямом и обрат- ном ходе подвижного сердечника в диапазоне lот 0 до 16мм. 3. Снять показания при напряжении питания, равном 6,3В(переклю- чатель измерительного прибора в положении «30»), при прямом и обрат- ном ходе подвижного сердечника в диапазоне lот 0 до 16мм. Результаты экспериментальных наблюдений занести в таблицы 1,2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА 1. Построить статические характеристики индуктивного датчикапо экспериментальным данным (для прямого и обратного хода). 2. Для двух указанных преподавателем участков статическойхарак- теристики рассчитать коэффициенты передачи индуктивного датчика. Таблица 1 Протокол испытаний при напряжении питания 20 В ?п= 20В Прямой ход Обратный ход I, mА l, мм I, mА l, мм Таблица 2 Протокол испытаний при напряжении питания 6,3 В ?п= 6,3В Прямой ход Обратный ход I, mА l, мм I, mА l, мм 6

7. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Отчет по работе оформляется в рабочей тетради и содержит: 1. Название лабораторной работы. 2. Цель работы. 3. Электрическуюсхемуисследования статических характеристик. 4. Таблицыс экспериментальными данными, графики. 5. Выводы по результатамработы. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. В чем состоит принцип действияиндуктивных датчиков? 2. От чего зависит наклон статической характеристики? 3. Каким образом увеличить продолжительность рабочего участка? 4. Какие допущения принятыпри выводе формулы характеристики? 5. От чего зависит ток холостого хода и как егоуменьшить? 6. Как можно оценить нелинейностьстатической характеристики? 7. Привести конкретный пример использования датчика. ВРЕМЯ, ОТВЕДЕННОЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ Подготовка к работе Выполнение работы Оформление отчета ЛИТЕРАТУРА 0,5 акад. часа 1 акад. час 0,5 акад. часа Основная 1. Колосов С.П., Калмыков И.В., Нефедова В.И. Элементы автомати- ки. - СПб.: ООО «Андреевский издательский дом»,2007. –388с. Дополнительная 2. Подлесный Н.И., РубановВ.Г.Элементы систем автоматического управления и контроля. –Киев: Высшая школа, 2001. - 467с. 3. Виштак О.В., Скоробогатова Т.Н. Исследование конструкции и статических характеристик индуктивного преобразователя: методические указания к выполнению лабораторной работы. - Саратов: СГТУ, 1995. - 8с. 7

8. СОДЕРЖАНИЕ 1. Назначение и принцип действия 2 2. Техника эксперимента 5 3. Требования техники безопасности 5 4. Порядок выполнения работы 6 5. Обработка результатов эксперимента 6 6. Содержание и оформление отчета 7 7. Вопросы для самопроверки 7 8. Время, отведенное на лабораторную работу 7 Литература 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИНДУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Методические указания к выполнению лабораторнойработы по дисциплине«Элементыи устройствасистем управления» для студентов специальности 220201.65 «Управление и информатика в технических системах» всех форм обучения СОСТАВИЛА Рогова Марина Викторовна Рецензент С.П. Косырев Редактор Л.В. Максимова Подписановпечать06.03.12 Формат60х84 1/16 Бумагатип. Усл. печ.л. 0,5 Уч. - изд.л. 0,5 Тираж100 экз. Заказ Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Копипринтер БИТТиУ, 413840, г. Балаково, ул. Чапаева, 140 8