21 апреля 2018г.
Аннотация: сегодня, наличие датчиков в той или иной системе очень важно, т.к. они обеспечивают правильное функционирование автоматизированных, полуавтоматических и автоматических систем. Они играют очень большую роль в современных системах, позволяя вовремя получать необходимую информацию о состоянии того или иного органа системы. В данной статье приведен обзор датчиков температуры и скорости, а также их выбор для электродвигателя.
Ключевые слова: датчик, сигнал, электродвигатель, скорость вращения, температура.
Для обеспечения корректного режима работы системы, необходимо вовремя получать информацию от рабочих органов системы, обрабатывать ее и принимать те или иные решения. В случае автоматической системы, все действия будут выполняться автоматически, т.е. без участия человека. Если же система таковой не является, то человек (оператор) будет напрямую получать информацию и на ее основании принимать решения.
В качестве этой самой системы выберем электродвигатель марки 4A100L4Y3. В таблице 1 приведены справочные данные асинхронного двигателя.
Таблица 1 – Справочные данные асинхронного двигателя
Величина
|
Значение
|
Синхронная частота вращения
|
n= 1500 об/мин
|
Число пар полюсов
|
pn= 2
|
Номинальная мощность
|
pH= 4000 Вт
|
КПД
|
η= 0.83
|
Коэффициент мощности двигателя
|
cosфн= 0.87
|
Номинальное фазное напряжение
|
Uфн= 220 В
|
Число фаз обмотки статора
|
m1= 3
|
Динамический момент инерции ротора двигателя
|
J= 0.0059 кг* м2
|
Кратность критического момента
|
λ= 2.5
|
Номинальное скольжение
|
Sн= 0.053
|
Скорость, которую мы будем отслеживать не должна превышать значения в 1500 об/мин.
В таблице 2 приведены допустимые температурные диапазоны в соответствие с классом изоляции.
Таблица 2 – Допустимые температурные диапазоны.
Класс
изоляции
|
Допустимое превышение
температуры над температурой охлаждающего воздуха (°С)
|
Максимальная допустимая
температура при температуре охлаждающего воздуха 40°С (°С)
|
A
|
65
|
105
|
E
|
75
|
115
|
B
|
80
|
120
|
F
|
100
|
140
|
H
|
125
|
165
|
Исходя из данных на двигатель, класс изоляции равен F. Температура, которую мы будем отслеживать, не должна превышать значения в 140°С.
На сегодняшний день имеется большое количество фирм производителей всевозможных датчиков. С одной стороны это загоняет в тупик, пользователю становится тяжелее сделать выбор в пользу определенной фирмы, но с другой стороны это наоборот, открывает большой спектр наименований по тому или иному признаку (габариты, чувствительность, класс точности, диапазон измерения и т.д.).
Датчики скорости используются для отслеживания скорости рабочего органа. Существует множество способов отслеживания скорости:
1) Оптоэлектронное измерение – луч от источника делится специальной линзой на два отдельных луча, а затем они фиксируются на фотодетекторе, где он преобразуется в электрический ток. Затем из этого получается сигнал, который преобразуется в пропорциональное напряжение. Плюсом данного способа является очень высокая точность, т.к. измеряется только поток (искажения почти отсутствуют). К минусам относятся большая цена, специфика использования.
2) Самонагревающийся резистор – в систему устанавливается резистор, сопротивление которого уменьшается с увеличением скорости вращения. Соответственно, с уменьшением сопротивления будет увеличиваться напряжение и наоборот. К плюсам можно отнести простоту в использовании, простоту конструкции. Очевидным минусом является высокая погрешность, что связано с нагреванием самого датчика.
3) Бесконтактные магнитные датчики – данный тип датчиков реагирует на движение тел из токопроводящих материалов. Данные датчики можно использовать для измерения по самим механизмам (лопасти винта, зубцы вала, ступени механизма и т.д.). Из плюсов можно выделить большую рабочую зону датчика, ненадобность в создании дополнительных средств фиксации движения. Главный минус данного способа заключается в наличии погрешности при близком нахождении с другими магнитными материалами.
Одной из фирм, массово производящих датчики скорости является IFM ELECTRONIC. Датчики данной фирмы обладают высоким качеством, большим диапазоном измерений, высоким классом точности.
На рисунке 1 изображен внешний вид датчика DI0001 фирмы IFM ELECTRONICS.
Датчик и вся электроника оценки встроены в корпус М30x1.5. Изменение точки переключения происходит посредством потенциометра. Гистерезис и начальное время сохранения энергии должны задаваться заранее. Конструкция датчика включает в себя два провода. Обладает степенью защиты IP 67.
Датчики температуры используются для отслеживания температуры различных элементов системы. На сегодняшний день наиболее часто используемыми способами отслеживания температуры являются:
1)
Термопреобразователи сопротивления – данные датчики работают на принципе изменения сопротивления проводников или полупроводников в зависимости от температуры. Материал таких датчиков должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления. Плюсы данного способа заключаются в большом диапазоне отслеживания температуры (-260…1100°С), высокой стабильности воспроизведения характеристик. Минусом является наличие погрешности, вносимой проводами подключения терморезистора.
2)
Термопары – данные датчики работают на термоэлектрическом эффекте, заключающимся в том, что в контуре, состоящем из двух разнородных проводников течет ток, если места припоя проводников имеют разные показатели температуры. К плюсам можно отнести наличие маленькой ЭДС (8мВ на каждые 100°С), возможность разомкнуть контур в любом месте и включить в него один или несколько проводников. Главным минусом является возникновение термоэлектрической неоднородности.
3)
Кварцевые термопреобразователи – данные датчики работают на принципе использования зависимости собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Как правило, применяются в цифровых термометрах. При использовании данного способа имеются такие достоинства как высокая чувствительность (до 103 Гц/К), высокая временная стабильность. Из минусов можно выделить относительно небольшой температурный диапазон (-80…250°С).
4) Дилатометрические
преобразователи – данные датчики работают на принципе расширения и сжатия твердых тел при увеличении или уменьшении температуры. Явными плюсами данного способа являются
высокая надежность, возможность
работы в агрессивных средах. К минусам можно
отнести настройку на определенную температуру и высокую инертность.
Наиболее подходящим для данной системы датчиком является TF35, фирмы WIKA. Он имеет довольно небольшой размер 100 мм, что позволяет его устанавливать в наиболее удобные позиции. Корпус имеет повышенное сопротивление вибрации, что очень важно при работе с двигателем. Имеет диапазон измерения -50…+300 °C. Корпус датчика выполнен из латуни.
На рисунке 2 изображен внешний вид датчика температуры TF35.
Данные датчики необходимо установить на электродвигатель, после чего настроить микроконтроллер и все его интерфейсы на необходимые диапазоны значений. Температурные датчики нужно установить в те места, которые наиболее подвержены термическому воздействию. Так, исходя из класса F температура данного электродвигателя не должна превышать 140°С (справочные данные Таблица 2). Соответственно при достижении температурой данного значения микроконтроллер должен будет подать сигнал на замедление вращения электродвигателя. В том случае если падение температуры не произошло, микроконтроллер должен полностью отключить электродвигатель, для минимизации повреждений. Датчик скорости вращения нужно установить на корпус двигателя у выхода вала. Максимальная скорость вращения данного двигателя составляет 1500 об/мин (справочные данные Таблица 1). Датчик скорости должен следить за скоростью вращения вала и постоянно посылать сигнал на микроконтроллер. В случае если данная скорость была превышена, микроконтроллер вновь должен послать сигнал на снижение скорости работы двигателя. В таком режиме датчики и микроконтроллер должны находиться на протяжении всего времени функционирования электродвигателя.
Список литературы
1.
В.М. Шарапов, Е.С.
Полищук,
Н.Д.
Кошевой,
Г.Г.
Ишанин,
И.Г.
Минаев, А.С.
Совлуков. Датчики: Справочное пособие. – М.:Техносфера. 2012. – 624 с.
2.
Поставщик электроники Вест-Эл: [Электронный ресурс] – URL: http://www.west- l.ru/catalog/9/00001x0001x0006x0003x0014x0001/x254645/. (Дата
обращения 10.10.2017).
3.
Поставщик электроники Вест-Эл: [Электронный ресурс] – URL: http://www.west- l.ru/catalog/9/00001x0001x0006x0003x0008x0001/x203192/. (Дата обращения 15.10.2017).
4.
Техническая документация датчика DI0001: [Электронный ресурс] – URL: http://www.west-l.ru/uploads/tdpdf/eu241315_d_e_f.pdf. (Дата
обращения 16.10.2017).