ДАТЧИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. РУКОВОДСТВО

СОДЕРЖАНИЕ

I Техническое описание лабораторного модуля 5

II Методические указания к проведению лабораторных работ 14

Общие положения 14

Изучение датчиков технологической информации 14

I. Техническое описание лабораторного модуля

Назначение

Лабораторный модуль «Датчики технологической информации» (далее

модуль) предназначен для обучения студентов различных специальностей,

изучающих дисциплины, связанные с автоматизацией различных отраслей

промышленности, программированию промышленных средств автоматизации

Модуль может быть использован также для обучения учащихся техникумов и

слушателей отраслевых учебных центров повышения квалификации.

Модуль выполнен для работы в лабораторных условиях (невзрывоопасная

окружающая среда, не содержащая агрессивных газов и паров, ненасыщенная

водяными парами и токопроводящей пылью).

2. Технические характеристики

Габаритные размеры модуля, мм - 200x250x120.

Питание лабораторного модуля:

напряжение питания - 220 В, 50 Гц;

потребляемая мощность - не более 20 ВА.

Состав и конструктивное исполнение

Модуль выполнен в настольном варианте (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид модуля

В состав модуля входит:

модуль для изучения датчиков технологической информации в сборе;

сетевой кабель питания;

комплект бесконтактных конечных выключателей (3 шт.);

индуктивный преобразователь перемещения;

5) комплект мишеней для лабораторной работы по изучению бесконтактных

конечных выключателей;

6) техническое описание и методические указания к проведению

лабораторной работы;

7) паспорт.

Конструктивно все исследуемые датчики выполнены однотипно. Они

представляют собой цилиндрический корпус с резьбой, нарезанной на их внешней

поверхности для крепления при помощи двух гаек на месте установки. В корпусе

размещается чувствительный элемент и полупроводниковая аппаратура.

Лабораторная установка (рис. 1) представляет собой следующие

конструктивно объединенные элементы: стойка датчиков 1, стойка микрометра 2 и

разъём ОВ-9Р 3 для подключения датчиков. Также на лицевой панели расположены

светодиод 4 индикации состояния выхода датчика и гнезда 5 для подключения к

выходу датчика измерительного прибора. В качестве измерительного прибора

может быть использован цифровой мультиметр, который в комплект не входит.

Кроме того, на торцевой стороне модуля расположен разъем СНП-226 и

клавишный переключатель для подачи питания на модуль. Для включения

низковольтного питания необходимо нажать клавишный выключатель «Питание»,

расположенный на лицевой панели модуля.

В стойку 2 в верхнее или нижнее гнездо устанавливается исследуемый датчик

6, закреплённый гайками. В стойку 3 установлен микрометр 7 с ценой деления 0,01

мм. На выдвижной части микрометра закреплён воздействующий элемент 8,

имеющий круглую часть с выступающим «усом». Микрометр позволяет

перемещать воздействующий на датчик элемент (ВЭ) и измерять его положение

относительно датчика.

«Ус» используется при исследовании влияния на характеристики датчика

изменения положения пластины при прохождении её мимо датчика, а круглая часть

- при исследовании влияния изменения зазора между торцом датчика и пластиной.

Расположение датчиков и воздействующего элемента

В работе предусмотрено исследование индуктивного и емкостного датчиков в

двух режимах:

контроль прохождения ВЭ мимо датчика;

контроль изменения расстояния между ВЭ и торцом датчика.

Условно введём для разделения этих двух режимов воздействий

соответственно термин «путевой режим» и «режим конечного выключателя»

(«торцевой режим»).

Для исследования в путевом режиме датчик устанавливается в верхнее

монтажное отверстие стойки датчиков (рис. 2). При этом исследуется воздействие

на датчик «уса» ВЭ, то есть используется поворот воздействующего элемента. В

режиме конечного выключателя датчик устанавливается в нижнее отверстие стойки

и исследуется приближение/удаление круглой части ВЭ.

Для исследования индуктивного преобразователя перемещений ИПП его

необходимо установить в нижнее отверстие стойки 2. При этом исследуется он

также как индуктивный или емкостной датчик в режиме конечного выключателя,

только с тем отличием, что в данном случае необходимо снять статическую

характеристику.

Для исследования оптического датчика имеется устанавливаемое на

лабораторном модуле устройство с перемещающимся вверх/вниз отражающим

элементом (ОЭ). Положение ОЭ относительно оптического выключателя

измеряется при помощи цифрового штангенциркуля. Возможно изменение

материала отражающей поверхности ОЭ (на рис. 1 и рис. 2 не показано).

Подключение исследуемого датчика SQ1 к схеме питания модуля

производится с помощью штекеров соответствующей окраски. Через разъем XS4

осуществляется питание 24 В постоянного тока. Светодиоды VD1 и VD2

соответственно индицируют состояние выхода исследуемого датчика и наличие

питания на модуле. Резисторы R1 и R2 являются ограничивающими ток в цепи

светодиодов. Гнезда XS5 и XS6 используются для контроля выходного сигнала

исследуемого датчика.

В лаборатории при исследовании датчиков ВК и ВЕ необходимо выполнить

эксперименты.

SQ1

Конт.

Цепь

24В

+24В

"К"

"Б"

1 "К"

XS2

"Б"

XS5

"С"

XS3

"С"

VD1

XS6

VD2 R2

Рис. Схема электрическая принципиальная модуля ДТИ

4. Подготовка лабораторного модуля к работе

подключить сетевой шнур;

включить сетевой выключатель на торцевой стороне модуля и

подать питание на модуль с помощью кнопочного переключателя «Питание»,

расположенного на лицевой панели. Наличие напряжения на модуле

индицируется подсветкой в тумблере и кнопочном переключателе

соответственно.

Технические характеристики датчиков технологической информации.

Общие сведения

В лабораторной работе используются следующие датчики:

бесконтактный емкостной конечный выключатель ВЕ Е5-31-Р-10-

400-ИНД-ЗВ (рис. 2а);

бесконтактный индуктивный конечный выключатель ВК Е4-31-Р-8-

250-ИНД-ЗВ (рис. 2б);

бесконтактный оптический выключатель OV А43А-31Р-150-LZ

(рис. 2в);

индуктивный преобразователь перемещения ИПП Е41-33-Р-8-А1

(рис. 2г).

Далее для удобства в описании будут использоваться краткие названия

датчиков - ВЕ, ВК, OV и ИПП соответственно.

а) б) в) г)

Рис. 2. Внешний вид и габаритные размеры выключателей.

Характеристики указанных датчиков представлены в табл. 1.

Технические характеристики изучаемых датчиков

Таблица .1

Параметр

ВЕ

ВК

ИПП

Значение параметра

Напряжение питания, U

РАБ

10 – 30 В постоянного тока

Собственный ток потребления

≤ 25 мА

Выходное сопротивление

≥ 4,7 кОм

Ток нагрузки, I

РАБ

400 мА

250 мА

–

Падение напряжения

≤ 2,5 В

≤ 1,5 В

≤ 2,5 В

≤ 1,5 В

Номинальный зазор, S

НОМ

10 мм

8 мм

150 мм

8 мм

Рабочий зазор, S

РАБ

0…8 мм

0…6,4 мм

–

1,2…8 мм

Линейная зона рабочего зазора

–

1,75…5,75 мм

Нелинейность

–

≤ 3 %

Гистерезис

3 – 15 %

10 %

–

Допустимая освещённость

–

6000 Люкс

–

Выходные
напряжения

S = 0 мм

–

≤ 1,5 В

ЛИН

= min

–

2,3 ± 0,3 В

ЛИН

= max

–

8,5 ± 0,3 В

РАБ

= max

–

≥ 10 В

Максимальная скорость изме-
нения напряжения на нагрузке

–

2,5 В/мс

Частота переключения, f

max

≤ 300 Гц

≤ 100 Гц

–

Температурный режим

–25…+75 ºС

–15…+65 ºС

–15…+70 ºС

Защита схемы

Нет

Есть

Световая индикация

Есть

Примечания:

1. Исследуемый

емкостной

выключатель

имеет

встроенный

потенциометр

для

регулировки

чувствительности.

Для

работы

производится основная настройка на зазор 0,7…0,8 S

НОМ

2. Для

определения рабочего зазора емкостного выключателя

необходимо воспользоваться табл. 2, где приведены поправочные

коэффициенты или табл. 3 и рис.3, по которым определяется величина

диэлектрической проницаемости материала и далее по значению



r –

величина рабочего зазора.

3. Рабочий зазор индуктивного выключателя зависит от металла, из

которого изготовлен объект воздействия. Для определения S

РАБ

в табл.2

приведены поправочные коэффициенты для некоторых металлов.

Таблица.2

ВК Е4-31-Р-8-250-ИНД-ЗВ

ВЕ Е5-31-Р-10-400-ИНД-ЗВ

Материал

Поправочный коэффициент

Материал

Поправочный коэффициент

Сталь 40

1,00

Металл, вода

1,0

Чугун

0,93…1,05

Стекло

0,5

Никель

0,65…0,75

Дерево

0,2…0,7

Нерж. сталь

0,60…1,00

Масло

0,1

Алюминий

0,30…0,50

Латунь

0,35…0,50

Медь

0,25…0,45

Таблица.3

Материал



Материал



Материал



Материал



Бумага

2,3

Мрамор

Полиэтилен

2,3

Тальк

1,6

Вода

Нефть

2,2

Резина

2,5

Тефлон

Воздух

Парафин

2,2

Слюда

Фарфор

4,4

Гетинакс

4,5

Песок

3,7

Смолы

3,6

Целлулоид

Дерево

2…7 Полиамид

Спирт этиловый 25,8 Эбонит

Компаунд

2,5

ПВХ

2,9

Стекло

Электрокартон

Для оптического выключателя рабочий зазор определяется с

использованием поправочного коэффициента (табл. 4).

Датчики ВЕ, ВК и OV имеют одинаковую схему подключения, которая

приведена на рис. 3.

Таблица.4

Материал

Поправочный

коэффициент

Материал

Поправочный
коэффициент

Бумага белая матовая 200
г/м

1,0

Поливинилхлорид, серый

0,5

Металл полированный

1,2…1,6

Дерево необработанное

0,4

Пенопласт, белый

1,0

Картон чёрный, блестящий

0,3

Ткань хлопчатобумажная

0,6

Картон чёрный, матовый

0,1

Рис. 3. Зависимость рабочего зазора от диэлектрической проницаемости

материала

Рис. 4. Схема подключения датчиков

Индуктивный преобразователь перемещения ISAN имеет аналоговый

выход. Каталожная статическая характеристика преобразователя - на рис. .5.

Рис. 5. а) Схема подключения и б) Статическая характеристика ИПП U

=f(S).

Принцип действия емкостного бесконтактного выключателя состоит в

следующем. Чувствительная поверхность выключателя образуется двумя

концентрически расположенными металлическими электродами. Их

поверхности А и В (рис. 6) расположены в цепи обратной связи

высокочастотного генератора, который настроен таким образом, что он не

генерирует при отсутствии объекта детектирования. Если объект

приближается к чувствительной поверхности датчика, то он попадает в

электрическое поле перед поверхностями электродов и способствует

повышению ёмкости связи между пластинами А и В. При этом амплитуда

генератора начинает возрастать. Амплитуда колебаний регистрируется

оценочной схемой и преобразуется в логический сигнал включения.

Рис. 6. Структура емкостного выключателя

Рис. 7. Структура индуктивного выключателя

Принцип действия индуктивного бесконтактного выключателя также

основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в

активную зону датчика металлического, магнитного, ферромагнитного или

аморфного магнитного материала определённых размеров. При подаче

питания на конечный выключатель в области его чувствительной

поверхности образуется изменяющееся магнитное поле (рис. 7), наводящее

во внесённом материале вихревые токи, которые приводят к изменению

амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый

выходной сигнал, величина которого изменяется в зависимости от

расстояния между датчиком и контролируемым предметом. Далее триггер

преобразует аналоговый сигнал в логический, устанавливая уровень

переключения и величину гистерезиса.

Оптический бесконтактный выключатель – электронное устройство,

которое обнаруживает контролируемый объект, отражающий или

прерывающий оптическое излучение, и имеет полупроводниковый или

релейный коммутационный элемент.

Выключатель, изучаемый в лабораторной работе, относится к D типу.

Этот датчик состоит из излучателя и приёмника, установленных в одном

корпусе. Луч излучателя отражается от контролируемого объекта и попадает

в приёмник. Выключатель срабатывает при наличии контролируемого

предмета в зоне его действия.

Индуктивный преобразователь перемещения ИПП – также электронное

устройство, выходное напряжение которого изменяется с изменением

положения ВЭ относительно торца преобразователя.

II Методические указания к проведению лабораторных работ

Общие положения

При выполнении каждой лабораторной работы предполагается

индивидуализация обучения по принципу «каждому студенту (бригаде

студентов) свой вариант задания». Поэтому в лабораторной работе

предусмотрены варианты индивидуальных заданий. По своему усмотрению

преподаватель может упростить или усложнить задачу варианта в

зависимости от подготовки обучаемого.

Выполнение лабораторной работы рассчитано на 4 академических часа

работы в лаборатории и 3-4 часа самостоятельной работы при домашней

подготовке и оформлении отчета по работе

Работа «Изучение датчиков технологической информации»

2.1. Цель работы

Ознакомиться с устройством и техническими характеристиками

датчиков технологической информации, приобрести навыки подключения

датчиков и оценки их погрешностей.

2.2. Содержание работы

а)

Дома изучить назначение и технические характеристики

датчиков технологической информации, схемы их подключения, а также

основные узлы и возможности лабораторного модуля.

б)

В лаборатории:

пройти тестирование по техническим характеристикам и

способам подключения датчиков технологической информации;

для каждого изучаемого датчика экспериментально рассмотреть

работу в двух режимах: в режиме прохождения воздействующего элемента

(ВЭ) мимо датчика и в режиме изменения расстояния между торцом датчика

и ВЭ;

для каждого из рассмотренных режимов работы снять задаваемое

преподавателем число раз включение/отключение датчика, фиксируя

расстояние между датчиком и ВЭ;

по

результатам

экспериментов

определить

среднее

квадратическое отклонение случайной погрешности а и гистерезис датчика;

экспериментально

оценить

как

изменяется

среднее

квадратическое отклонение случайной погрешности а и гистерезис с

изменением исходного расстояния между датчиком и ВЭ;

для датчика с аналоговым выходом экспериментально снять и

построить номинальные статические характеристики при разных расстояниях

между датчиком и ВЭ, рассчитать по ним расстояния между датчиком и ВЭ.

2.3. Выполнение лабораторной работы

Исследуемые емкостной и индуктивный датчики могут использоваться

в двух режимах:

контроль прохождения ВЭ мимо датчика;

контроль изменения расстояния между ВЭ и торцом датчика.

Условно введём для разделения этих двух режимов воздействий

соответственно термин «путевой режим» и «режим конечного выключателя»

(«торцевой режим»).

Для исследования датчика в путевом режиме, он устанавливается в

верхнее монтажное отверстие стойки датчиков. При этом исследуется

воздействие на датчик «уса» ВЭ, то есть используется поворот

воздействующего элемента. В режиме конечного выключателя датчик

устанавливается

нижнее

отверстие

стойки

исследуется

приближение/удаление круглой части ВЭ.

В лаборатории при исследовании датчиков ВК и ВЕ необходимо

выполнить следующие эксперименты:

1. В режиме торцевого выключателя плавным изменением положения

ВЭ произвести включение и отключение датчика (контролируется по

состоянию светодиода). При наличии осциллографа зафиксировать

переходный процесс включения и отключения датчика. Произвести

включение и отключение датчика заданное число раз (не менее 5), фиксируя

по микрометру положение ВЭ.

Для исключения влияния люфтов в передаче следует после

Отключения датчика ещё удалить ВЭ от него, чтобы в начале очередного

цикла эксперимента проходить положение отключения в направлении

движения к выключателю.

По результатам измерений вычисляется среднее арифметическое

значение результатов наблюдений по формуле

𝑙

ср

∑

𝑙

𝑖

𝑙

𝑛=1

𝑛

где 𝑙

ср

- результат i-го наблюдения; n - число наблюдений.

Определяются согласно ГОСТ 8.009-72 средние значения погрешности

при измерениях l со стороны меньших (больших) значений:

∆

𝑀

∑

∆

𝑀𝑖

𝑙

𝑛=1

𝑛

∑

(𝑙

𝑀𝑖

− 𝑙

ср

)

𝑙

𝑛=1

𝑛

∆

∑

∆

6𝑖

𝑙

𝑛=1

𝑛

∑

(𝑙

6𝑖

− 𝑙

ср

)

𝑙

𝑛=1

𝑛

где 𝑙

𝑀𝑖

) - измеренные значения при изменении l со стороны

меньших (больших) значений;

п - число опытов при определении ∆

𝑀

(

∆

𝜎

Систематическая составляющая ∆

сист

погрешности определяется

формулой

∆

сист

∆

𝑀

+ ∆

𝜎

Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей

погрешности определяется формулой

𝜎 = √

∑

(∆

𝑀𝑖

−

𝑙

𝑛=1

∆̅

𝑀

)

𝑛

−1

∑

(∆

𝜎𝑖

−∆

𝜎

)

𝑙

𝑛=1

𝑛

−1

Гистерезис датчика (дифференциал хода) Д, то есть расстояние между

точками включения и отключения датчика, по результатам эксперимента

определяется как разность между максимальным в серии опытов значением

положения ВЭ при отключении выключателя l

откл

и минимальным значением

положения ВЭ при включении датчика l

Вкл.

Подключая к гнёздам выхода датчика цифровой индикатор модуля

пультового оборудования, зафиксировать значение напряжения на выходе

датчика при его отключённом и включённом состояниях.

2. Для исследования датчика в путевом режиме необходимо расстояние

между торцом датчика и ВЭ при включенном состоянии разбить на 3

примерно равных части, которым будут соответствовать положения ВЭ l

, l

При повороте ручки микрометра происходит поворот «уса» ВЭ,

вызывающий включение/отключение датчика. Для каждого из трёх

положений l

, l

п раз (значение задаётся преподавателем) произвести

включение и отключение датчика. После включения датчика и фиксации

показаний

микрометра

вращение

микрометра

осуществляется

противоположную сторону (в сторону отключения датчика). После фиксации

показаний микрометра при отключении датчика для исключения влияния

люфтов следует ещё удалить «ус» от датчика, чтобы в начале очередного

цикла эксперимента проходить положение отключения в направлении

движения к включению.

По результатам экспериментов для каждого из положений l

, l

,…,l

необходимо:

- определить среднее квадратическое отклонение

𝜎;

- гистерезис датчика;

-значение выходного напряжения при отключённом и включённом

состояниях датчика;

ДАТЧИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. РУКОВОДСТВО - часть 1