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).