Зміст
Класифікація елементів автоматики
Основні характеристики датчиків
Характеристики основних типів датчиків, що застосовуються в зварювальній техніці
Список джерел інформації
1. Класифікація елементів автоматики
Автоматика - галузь науки і техніки, що охоплює теорію і принципи побудови систем управління, що діють без безпосередньої участі людини; у вузькому сенсі - це сукупність методів і технічних засобів, що виключають участь людини у виконанні операцій конкретного процесу. Системи автоматики призначені для отримання інформації про хід керованого процесу, її обробки і використання при формуванні керуючих впливів на процес. Залежно від призначення розрізняють:
системи автоматичної сигналізації, які призначені для сповіщення обслуговуючого персоналу про стан тієї чи іншої технічної установки, про протікання того чи іншого процесу;
системи автоматичного контролю, які без участі людини здійснюють контроль різних параметрів, що характеризують роботу будь-якого технічного пристрою або протікання будь-якого процесу;
системи автоматичного блокування та захисту, які служать для запобігання виникненню аварійних ситуацій в технічних агрегатах і установках;
системи автоматичного пуску і зупинки, які забезпечують включення, зупинку (а іноді і реверс) двигунів і приводів за заздалегідь заданою програмою;
системи автоматичного управління, які призначені для управління або роботою тих чи інших технічних систем, або тими чи іншими процесами.
До найважливіших і найбільш складним відносять системи автоматичного управління (САУ); всі інші перераховані вище системи є приватними, як правило, більш простими варіантами САУ. В сучасні САУ зварювальним устаткуванням входять наступні елементи автоматики:
датчики;
пристрої передачі сигналів;
аналогові або цифрові пристрої управління;
пристрої вироблення управляючих впливів;
підсилювачі;
виконавчі пристрої і механізми.
Ці пристрої групують за функціональним, інформаційного та конструктивно-технологічного ознаками, створюючи на уніфікованої елементної бази блокові набори, з яких складають необхідні агрегатні комплекси засобів автоматизації зварювальних процесів.
2. Основні характеристики датчиків
Датчики - це пристрої для перетворення різних фізичних величин, що відповідають параметрам технологічного процесу зварювання, в уніфікований електричний сигнал або цифровий код. Основною характеристикою датчика є закон зміни вихідної величини в залежності від вхідного впливу, який описується статичними і динамічними параметрами.
Експлуатаційні характеристики визначають умови експлуатації і параметри надійності. До експлуатаційних характеристик датчиків відносять:
• робочий температурний діапазон;
• допустиму температуру зберігання;
• допустиму вологість навколишнього середовища;
• допустимий тиск навколишнього середовища;
• діапазон зміни напруги харчування;
• напрацювання на відмову;
• строк служби;
• гарантійний термін.
Статичні характеристики визначають реакцію датчика на незмінний вхідний сигнал.
Чутливість датчика (коефіцієнт перетворення) - відношення зміни вихідного сигналу до зміни вхідного в сталому (статичному) режимі. Якщо вхідний і вихідний сигнали - різні фізичні параметри, то чутливість має розмірність відносини вихідної величини до вхідної.
Поріг чутливості - мінімальна вхідний вплив, на яке реагує датчик.
Роздільна здатність - найменша зміна вхідного сигналу, яке може бути виміряна датчиком.
Межі вимірювання - мінімальне і максимальне значення вхідного сигналу, який може бути визначений датчиком.
Абсолютна похибка - різниця між реальним і виміряним значеннями вимірюваної величини. Абсолютна похибка має розмірність вхідної величини.
Відносна похибка - відношення абсолютної похибки до дійсного значення вимірюваної величини, яке визначається у відносних одиницях або у відсотках.
Наведена похибка - відношення абсолютної похибки до діапазону можливих значень вхідного сигналу, що обчислюється у відносних одиницях або у відсотках. Про точність датчика зазвичай судять за значенням зведеної похибки.
Статична характеристика перетворення - залежність вихідного сигналу від вхідного в усьому діапазоні перетворення.
Для датчиків найкращою є лінійна статична характеристика; це потрібно для точної роботи систем регулювання.
Рис. 1. Види статичних характеристик датчиків:
а - лінійна; б - нелінійна з насиченням; в - релейний; г - з зоною нечутливості; х - вхідний сигнал; у - вихідний сигнал
Динамічні характеристики. Під динамічною характеристикою датчика розуміють поведінку вихідного сигналу під час перехідного процесу у відповідь на миттєве (ступеневу) зміна вхідного сигналу. Динамічні властивості датчика характеризуються цілим рядом параметрів, які виробники досить рідко призводять до технічному описі. Динамічні характеристики датчика можна експериментально отримати як реакцію на стрибок вимірюваного вхідного сигналу.
Основні динамічні характеристики:
Т0 - час проходження зони нечутливості (момент початку зміни вихідного сигналу);
Тd - запізнювання (час першого досягнення вихідним сигналом рівня 0,5 сталого значення);
Tr - час наростання (час, за яке вихідний сигнал збільшується від 0,1 до 0,9 встановленого значення);
Тp - час досягнення першого максимуму;
М=ум/у0 - відносне перерегулювання;
Ts - час перехідного процесу, або час встановлення (час, починаючи з якого відхилення вихідного сигналу датчика від сталого значення стає менше заданого).
3. Характеристики основних типів датчиків, що застосовуються в зварювальній техніці
Датчики переміщення
Вони поділяють на релейні і вимірювальні. Релейні датчики (кінцеві вимикачі) видають дискретний сигнал при досягненні певного положення вимірювальним органом, а вихідний сигнал вимірювальних датчиків пропорційний переміщенню.
Релейні датчики лінійного переміщення.
Найпоширенішими релейними датчиками переміщення є електроконтактні датчики. У них переміщення передається електричним контактам, які і є вихідними клемами датчика. Переваги електроконтактних датчиків полягають в простоті і низькій собівартості конструкції, зручність регулювання, високої точності, можливості роботи в колах постійного і змінного струмів. До недоліків відносять складність забезпечення високої надійності через імовірність іскріння і окислення контактів, можливість помилкових спрацьовувань при вібрації і ударного навантаження, низький ресурс внаслідок наявності рухомих елементів. Абсолютна похибка спрацьовування електроконтактних датчиків може становити 0,1 .. .5 мм. Останнім часом з'явилася велика кількість безконтактних релейних датчиків переміщення. Їх перевагою є відсутність необхідності фізичного контакту з об'єктом, що дозволяє підвищити точність вимірювань і виключити вплив датчика на об'єкт, а відсутність рухомих елементів робить практично необмеженим ресурс таких датчиків. Найбільшого поширення набули індуктивні і оптичні датчики.
Вимірювальні датчики лінійного переміщення.
Потенціометричні датчики призначені для перетворення механічного переміщення в електричний сигнал. Основною частиною датчика є реостат, опір якого змінюється при переміщенні движка, механічно пов'язаного з будь-яким пристроєм, переміщення х якого необхідно виміряти і передати у вигляді електричного сигналу (рис. 2).
Рис. 2. Потенціометричний датчик переміщення
Напруга живлення подається через нерухомі висновки. Вихідна напруга знімається з одного з нерухомих висновків і з рухомого контакту, жорстко пов'язаного з двигуном. Така схема включення називається потенциометрической, або схемою подільника напруги. Вихідна напруга пропорційно переміщенню движка реостата: Uвих = Uвх х/l. Для живлення датчика може бути використано напруга постійного або змінного струму. Залежно від закону зміни опору розрізняють лінійні і функціональні потенциометрические датчики, у яких залежність вихідної напруги від переміщення може мати задану, відмінну від лінійної залежність. Резистор, по якому ковзає рухливий контакт, може бути виготовлений з дроту або завдано у вигляді резистивного шару на ізолюючі покриття. Наявність ковзаючого контакту знижує надійність потенциометрического датчика і є його основним недоліком. При роботі резистивний шар стирається, що призводить до зміни характеристики, «іскріння» або до відмови. Однак сучасні технології гарантують до 108 робочих ходів, що поряд з можливістю роботи датчика на змінному і постійному струмі, постійною готовністю до роботи і низькою чутливістю до перешкод дозволяють широко застосовувати їх в зварювальному обладнанні. Діапазон вимірювання потенціометричних датчиків - 10 ... 1 000 мм, роздільна здатність - від 0,1 до 1% діапазону вимірювання.
Індуктивні датчики призначені для перетворення переміщення в електричний сигнал за рахунок зміни параметрів електромагнітної ланцюга. Ці зміни можуть полягати в збільшенні або зменшенні магнітного опору датчика при переміщенні сердечника (рис. 3).
Рис. 3. Індуктивні датчики переміщення: а - прямого виміру; б - диференційний
В результаті таких переміщень змінюється індуктивність обмотки Z, яку вимірюють за допомогою електронної схеми. Індуктивні датчики прямого виміру мають нелінійну вихідну характеристику і високу похибку вимірювань, але дозволяють вимірювати відстань безпосередньо до виробу. Диференціальні датчики вимагають механічного зв'язку об'єкта вимірювань з рухомим сердечником, але мають значну зоною лінійності; вони знайшли широке застосування при вимірах з високою точністю. Переваги індуктивних датчиків: простота і низька собівартість конструкції, механічна міцність, висока надійність за рахунок можливості знімання вихідного сигналу без ковзних контактів. До недоліків цих датчиків слід віднести вплив на вихідний сигнал зовнішніх електромагнітних полів. Діапазон вимірювання індуктивних датчиків - 1 .. .50 мм, роздільна здатність - 0,01 ... 1 мм.
Принцип роботи тросових датчиків полягає в вимірі кута повороту легкого барабана, на який в один шар намотується тонкий трос, одним кінцем закріплений на об'єкті вимірювань. Барабан постійно подпружинен для створення натягу троса. Ці датчики широко застосовують для вимірювання переміщення різних механізмів, якщо інші датчики важко або неможливо встановити. Діапазон вимірювання тросових датчиків - 50 .. .5 000 мм, похибка вимірювання - 0,02 ... 1%.
Дія ємнісних датчиків засноване на залежності ємності конденсатора від відстані між його обкладинками. Як правило, абсолютне значення вимірюваної ємності не перевищує декількох десятків пикофарад, що обумовлює підвищені вимоги до сполучних проводів і взаємного розташування різних металевих деталей конструкції. Найчастіше ємнісні датчики використовують як датчики висоти установки об'єктиву при лазерної зварюванні або плазмової різки. В цьому випадку однією з обкладок конденсатора служить сам виріб, а друга обкладка являє собою кільце, укріплене на вимірюваному обсязі. Діапазон вимірювання ємнісних датчиків - 1 .. .20 мм, роздільна здатність - 1 ... 5 мм.
В основу роботи оптичних датчиків покладено принцип оптичної тріангуляції - визначення сторін трикутника за двома кутами і однією стороною. Перевагою оптичного датчика є висока точність і можливість вимірювання без безпосереднього контакту з об'єктом. До недоліків слід віднести неможливість визначення відстані до дзеркальних поверхонь і можливе запилення оптичних деталей при зварюванні. Діапазон вимірювання оптичних датчиків - 10 ... 200 мм, роздільна здатність - 0,1 ... 1 мм.
Датчики кута повороту
Потенціометричні датчики. Найбільш простими є потенціометричні датчики кута повороту. За принципом роботи вони аналогічні потенціометричним датчикам переміщення, але їх конструкція така, що поворот осі призводить до переміщення рухомого контакту по кільцевому резистору. Розрізняють одно- і багатооборотні датчики. Діапазон вимірювання однооборотний датчиків зазвичай не перевищує 300 °, а конструкція багатооборотних датчиків дозволяє вимірювати кут в межах до 100 повних обертів за рахунок вбудованого редуктора. Основною перевагою потенціометричних датчиків є пряма залежність вихідного сигналу від кута положення вала. Недоліком же, як і в разі датчиків переміщення, є ненадійність рухомого токоз'ємного контакту і «іскріння» контакту при переміщенні по резистивного шару.
Енкодери. Енкодери - це датчики кута повороту з дискретним виходом. Їх поділяють на інкрементальні і абсолютні. Робота інкрементальних енкодерів заснована на перетворенні обертання в дві послідовності електричних імпульсів. За цим послідовностям можна визначити напрямок обертання і кут повороту вала за допомогою реверсивного лічильника, подавши один з виходів на рахунковий вхід, а інший - на вхід напрямки рахунки. Якщо вал зупиняється, то передача імпульсів припиняється. Основним робочим параметром датчика є кількість імпульсів за один оборот. Часто є також цифровий вихід нульового положення вала, який дозволяє розрахувати абсолютне положення вала, якщо харчування пристрою не вимикалося. За принципом дії енкодери можуть бути оптичними, магнітними і механічними.
Датчики швидкості обертання
Імпульсні датчики. Принцип роботи найпростіших імпульсних датчиків швидкості обертання полягає в рахунку числа обертів N в одиницю часу. Для вимірювання великих швидкостей з задовільною точністю цього достатньо. При необхідності для вимірювання малих швидкостей з підвищеною точністю застосовують датчики, у яких на один оборот видається кілька десятків сотень або навіть тисяч імпульсів. Найбільшого поширення набули оптичні та магніторезистивні імпульсні датчики швидкості обертання. У найпростішому оптичному датчику швидкості обертання використовується диск з N отворами або прорізами. Цей диск монтують на вал, швидкість обертання якого потрібно виміряти. За одну сторону диска встановлюють джерело світла, по іншу - приймач світла, в якості якого може бути використаний фотодіод або фототранзистор. Недоліками імпульсних датчиків є дискретність вимірювання і можливість помилок при дії електромагнітних завад в процесі зварювання.
Датчики сили
Тензоелектричні датчики. Датчики сили на основі тензорезисторів завжди містять деформується пружний елемент і систему вимірювання деформаціі. Тензоелектричний датчик - це вимірювальний перетворювач деформації твердого тіла, що викликається механічними напруженнями, в електричний сигнал. Найбільшого поширення набули тензодатчики опору на базі тензорезисторов, дія яких заснована на їх властивості змінювати електричний опір під впливом деформації (розтягування або стиснення). Тензорезистор механічно жорстко з'єднують (приклеюють або приварюють) з пружним елементом тензодатчика або кріплять безпосередньо на досліджуваній деталі. Пружний елемент сприймає вимірювану силу F і перетворює її в деформацію решітки (пластини), що призводить до зміни опору тензорезистора. Переваги тензорезисторов полягають у високій чутливості та можливості вимірювання деформацій в двох площинах, а також деформації при скручуванні. Недоліки - складні схеми вимірювання слабких сигналів і сильна залежність сигналів від температури.
Датчики температури
Терморезистори. Терморезистори - це елементи, активний опір яких залежить від температури. Їх називають також термометрами опору, або термоопору. Вони служать для вимірювання температури в широкому діапазоні: від -270 до +1600 ° С. Розрізняють металеві і напівпровідникові терморезистори. Металеві терморезистори виготовляють з чистих металів: міді, платини, нікелю, заліза, рідше з молібдену і вольфраму. Для більшості чистих металів температурний коефіцієнт електричного опору а при 20 °С становить приблизно (4,0...6,5) • 10-3 · 1/°С, тобто при підвищенні температури на 1 ° С опір металевого терморезистора збільшується на 0,40 ... 0,65%. Найбільшого поширення набули мідні та платинові терморезистори. Для вимірювання високих температур застосовують вольфрам і молібден, хоча терморезистори з них мають характеристики, що трохи відрізняються від зразка до зразка.
Термоелектричні датчики (термопари). Робота термоелектричних датчиків заснована на появі термоелектродвіжущей сили (термоЕРС) в електричному ланцюзі з двох різнорідних металевих провідників (або напівпровідників). Якщо з одного кінця провідники з'єднати, а місце з'єднання (спай) нагріти, то в такому колі виникає ЕРС, пропорційна різниці температур з'єднаних і вільних кінців. Коефіцієнт пропорційності залежить від матеріалу провідників і в певному інтервалі температури залишається постійним. Ланцюг, складена з двох різнорідних матеріалів, називають термопарою; провідники, складові термопару, є термоелектроди; місце з'єднання термоелектродів називають спаєм. Спай, що поміщається в середу, температуру якої необхідно виміряти, називають гарячим, або робочим. Спай, щодо якого вимірюється температура, називають холодним, або вільним. Виникає при розходженні температур гарячого і холодного спаїв ЕРС називають термоЕРС. За значенням термоЕРС можна визначити температуру. Для вимірювання термоЕРС, що виробляється термопарою, включають вимірювальний прилад (наприклад, мілівольтметр), шляхом розмикання вільного спаю, або в розрив одного з термоелектродів.
Датчики електричних параметрів
Датчики напруги. Датчики напруги в зварюванні, як правило, представляють собою подільники напруги. Діапазон вимірюваних значень - від одиниць вольт до десятків кіловольт при електронно-променевого зварювання. Застосовують резистивні подільники дозволяють нормувати вхідний сигнал до стандартного рівня для вимірювання або відображення. Основний недолік резистивного подільника - гальванічна зв'язок між вхідним і вихідним напругою, оскільки один з вхідних провідників є також і вихідним. Це не дозволяє вимірювати одночасно в одному пристрої кілька напруг, які не мають загального проводу. Для виключення гальванічного зв'язку між вхідним і вихідним напругою застосовують датчики напруги з гальванічною розв'язкою. Вони дозволяють вимірювати напругу між двома точками, які можуть перебувати під будь-яким потенціалом.
Датчики струму. Для вимірювання струму використовують три способи: безпосереднє підключення вимірювача в розрив вимірюваної ланцюга, вимір падіння напруги на шунт і вимірювання за допомогою датчика магнітного поля на основі ефекту Холла. Безпосереднє вимірювання струму застосовують при токах до 10 А, вимірювання за допомогою шунта при токах до 1 000 А. Стандартні шунти нормують на струм, при якому падіння напруги на них становить 75 мВ (іноді 50 мВ). Датчики на основі ефекту Холла дозволяють вимірювати струми від часткою ампера до десятків кілоампер. Процес заснований на вимірюванні магнітного поля, яке наводиться струмом в провіднику, пропущеному через замкнутий магнітопровід. Крім широкого діапазону вимірювання перевагою цього методу є відсутність гальванічного зв'язку між вимірюваної і вимірювальної ланцюгами, що важливо при вимірюванні струму в провідниках, що знаходяться під напругою. Датчики поділяють на роз'ємні (струмові кліщі) і нероз'ємні. Перевага рознімних датчиків - простота підключення, недолік - висока похибка при поганому стисненні крайок.
Датчики магнітного поля
Для вимірювання магнітного поля використовують датчики на основі ефекту Холла і магніторезистори. Ефект Холла полягає в появі в провіднику з струмом, вміщеному в магнітне поле, електричного поля, перпендикулярного до магнітного і до напрямку струму. Це призводить до виникнення напруги, пропорційного струму, напруженості магнітного поля і синусу кута між напрямком струму і вектором магнітного поля. Конструктивно датчики Холла складаються з чутливого елемента Холла, стабілізатора живлення, схеми посилення сигналу і вихідного каскаду. Датчики Холла випускають одно-, дво- і триосьові з вихідним сигналом двох типів: з цифровим і з аналоговим виходом. Робота магніторезистора заснована на ефекті магнітоопору, який пояснюється тим, що в присутності магнітного поля на носії струму (електрони) діє сила Лоренца, яка змінює їх траєкторію. Якби не було магнітного поля, то під дією прикладеного до провідного тіла напруги носії струму переміщалися б по найкоротшому шляху. Зміна траєкторії під дією магнітного поля подовжує шлях носіїв струму, що проявляється як збільшення опору. У сильних поперечних магнітних полях деякі речовини можуть мати відносне збільшення опору а = ΔR/R в десятки разів. Зазвичай величина а пов'язана з напруженістю магнітного поля квадратичною залежністю.
Список джерел інформації
1) Гладков, Е. А. Управління процесами і устаткуванням при зварюванні: навчальний посібник / Е. А. Гладков. - М.: Академія, 2006. - 430с.
2) Ленівкін, В. А. Автоматизація зварювальних процесів / В. А. Ленівкін, Е. Н. Варуха, А. В. Павленко. - Ростов-н / Д. : ДДТУ, 2003. - 128с.
3) Лебедєв, В. Н. Автоматизація зварювальних процесів / В. Н. Лебедєв, В. П. Черниш. - Київ: Вища школа, 1986.-286с.
4) Львів, Н. С. Автоматика та автоматизація зварювальних процесів / Н.С. Львів, Е. А. Гладков. - М.: Машинобудування, 1982. - 302с.
5) Е.М. Гордін, Ю.Ш. Митник, В.А. Тарлінскій. Основи автоматики і обчислювальної техніки. Москва «Машинобудування», 1978