Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

К.т.н. Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет, Украина

Датчики линейных и угловых перемещений для электромеханических устройств поворота лопастей

Из анализа литературных источников следует, что обязательной частью системы управления поворотом лопастей ветроколес с горизонтальной осью вращения является использование датчиков положения лопастей, в качестве которых могут использоваться как датчики линейных перемещений, так и датчики угловых перемещений. В каждом конкретном случае это определяется конструкцией и принципом действия устройства поворота лопастей.

Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового перемещения какого-либо объекта [1]. Существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Все датчики перемещения можно разделить на две основные категории — датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения (энкодеры). По принципу действия датчики линейного перемещения могут быть: емкостными, оптическими, индуктивными, вихретоковыми, ультразвуковыми, магниторезистивными, потенциометрическими, магнитострикционными, на основе эффекта Холла.

В основе работы емкостных датчиков лежит взаимосвязь емкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идет об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия. Поскольку емкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение емкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами.

Другой схемой, где выходным параметром является электрическая емкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком. Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его емкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение емкости свидетельствует о перемещении объекта.

Существует множество вариаций схем оптических датчиков перемещения, основанных на различных оптических эффектах. Наиболее популярной является схема оптической триангуляции — датчик положения является, по сути, дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения, что дает возможность определять расстояние до объекта. Важным достоинством большинства датчиков является возможность производить бесконтактные измерения, кроме того, такие датчики обычно довольно точны и имеют высокое быстродействие.

В индуктивном датчике перемещения чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Поскольку амплитуда сигнала во вторичной обмотке зависит от потокосцепления, по величине амплитуды вторичной обмотки можно судить о положении сердечника, а значит и о положении внешнего объекта.

Вихретоковые датчики перемещения содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Метод является бесконтактным, однако может применяться только для металлических тел.

В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара — фиксируются отраженные от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором, которые обычно заключены в компактный корпус. Определение временной задержки между моментами отправки и приема ультразвукового импульса позволяет измерить расстояние до объекта с точностью, доходящей до десятых долей миллиметра. Наряду с оптическими, ультразвуковые датчики на сегодняшний день являются, пожалуй, наиболее универсальным и технологичным бесконтактным средством измерения.

В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля. Датчик состоит из постоянного магнита и электрической схемы, содержащей включенные по мостовой схеме магниторезистивные пластинки и источник постоянного напряжения. Интересующий объект, состоящий из ферромагнитного материала, перемещаясь в магнитном поле, изменяет его конфигурацию, вследствие чего меняется сопротивление пластинок, и мостовая схема регистрирует рассогласование, по величине которого можно судить о положении объекта.

Магнитострикционный датчик, как правило, представляет собой протяженный канал — волновод, вдоль которого может свободно перемещаться постоянный кольцевой магнит. Внутри волновода содержится проводник, способный при подаче на него электрических импульсов создавать магнитное поле вдоль всей своей длины. Полученное магнитное поле складывается с полем постоянного магнита и результирующее поле создает момент вращения канала, содержащего волновод (эффект Вайдемана). Импульсы вращения распространяются по каналу в обе стороны со скоростью звука материала канала. Регистрация временной задержки между отправкой электрического импульса вращения позволяет определить расстояние до постоянного магнита, т.е. определить его положение. Канал может иметь довольно большую длину (до нескольких метров), а положение магнита может быть определено с точностью до нескольких микрометров. Магнитострикционные датчики обладают отличной повторяемостью, разрешением, устойчивостью к неблагоприятным условиям и низкой чувствительностью к температурным изменениям.

Потенциометрические датчики в основе имеют электрический контур, содержащий потенциометр. Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора). Если через потенциометр пропускать переменный ток, то падение напряжения на нем будет пропорционально величине сопротивления, и, следовательно, величине линейного перемещения интересующего объекта.

Все рассмотренные выше датчики являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

Можно сформулировать требования, предъявляемые к датчикам: однозначность показаний, стабильность характеристик во времени, высокая чувствительность, малые размеры и масса, отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр, работа при различных условиях эксплуатации, различные варианты монтажа [2].

Основные вопросы проектирования датчиков для измерения механических величин электрическими методами рассмотрены в работах [3-5].

Применительно к датчикам угла установки лопастей ветроколес нам представляются возможными два варианта решения этой проблемы: вариант первый — для каждого устройства поворота лопастей с учетом его конструкции создается свой индивидуальный оригинальный датчик линейного или углового перемещения, как правило, встроенной конструкции; вариант второй — использовать уже готовые, отработанные и испытанные, серийно изготавливаемые специализированными предприятиями датчики, решив при этом проблему наиболее рациональной компоновки их с устройством поворота лопастей. Второй вариант нам представляется наиболее актуальным в современных условиях, поэтому ниже рассмотрены технические характеристики именно таких датчиков.

Потенциометрические датчики линейного перемещения:

1. Датчик РА1 (ход от 25 до 150 мм; тип механического соединения — резьба М 6; линейность ± 0,05%; воспроизводимость 0,01 мм; допустимая скорость перемещения до 5 м/с; рабочая температура —30… +100ºС; ресурс 100×10⁶ операций).

2. Датчик РУ1 (ход от 25 до 150 мм; тип механического соединения — резьба М 4; линейность ± 0,05%; воспроизводимость 0,01мм; допустимая скорость перемещения до 10 м/с; рабочая температура —30… +100ºС; ходовой стержень с двойной опорой; ресурс 100×10⁶ операций).

3. PZ2 (цилиндрическое исполнение) (ход от 25 до 150 мм; механическая фиксация скобами, самонастраивающимися шаровыми опорами; допустимая скорость перемещения до 10 м/с; рабочая температура —30… +100ºС; ресурс 25×10⁶ метров или 100×10⁶ операций) [6].

4. Датчик LRW (прямоугольный корпус со стержнем; диапазон измерения 0…50 мм до 0…900 мм; линейность ± 0,05%; рабочая температура —30…+100ºС; алюминиевый корпус, нержавеющий стальной стержень).

5. Датчик LZW (цилиндрический корпус, скоба со сферическим шарниром; диапазон измерения от 0…50 мм до 0…750 мм; остальные параметры такие же).

6. Датчик LRW1 (диапазон измерения от 25 до 150 мм).

7. Датчик LZW1 (диапазон измерения от 25 до 250 мм).

8. Датчик LRW2 (диапазон измерения от 10 до 150 мм).

9. Датчик LZW2 (диапазон измерения от 25 до 300 мм) [7].

10. Датчик LT (диапазон измерения от 10 до 150 мм; линейность ± 0,3%; температура —30… +100ºС).

11. Датчик LTP (расстояние измерения 50/75/100/125/.../650/700/750 мм; цилиндрический корпус, две шаровые опоры; точность 0,01 мм; ресурс 50 000 000). Производитель JSP, Чехия [8].

12. Датчик FWA150Т (длина хода 150...155 мм; разрешающая способность 0,01 мм; воспроизводимость 0,002 мм; температурный диапазон —30… +100ºС; срок службы 100×10⁶ ходов штока; шарнирные головки (±1 мм параллельное смещение, ±2,5º угловое смещение) [9].

Магнитострикционные датчики линейных перемещений представлены в номенклатуре поставок Balluff (торговая марка Miсropulse), MTS sensors (торговая марка Temposonics). Интересным вариантом использования вместо традиционных линейных потенциометров является серия индуктивных датчиков перемещения BIW1 от Balluff. Датчики линейных перемещений Balluff имеют конструкцию со встроенным штоком, положение которого формирует сигнал на выходе. Следует отметить, что практически все датчики линейных перемещений Balluff серии Miсropulse внесены в Госреестр средств измерений Российской Федерации [10].

Датчик с аналоговым выходом имеет следующие технические характеристики: диапазон измерений от 0 до 400 мм; разрешение 2 мм; частота измерений 1000 Гц; максимальная нелинейность 0,02% от диапазона; температура эксплуатации —40… +85ºС; функция на выходе 0...10 В или 10...0 В, 4...20 мА или 20...4 мА, 0...20 мА или 20...0 мА, —10...10 В или 10...—10 В; питание — постоянный ток; материал корпуса и стержня — нержавеющая сталь.

Магнито-индуктивный датчик линейных перемещений Balluff ВІL с аналоговым выходом имеет диапазон измерений 0...160 мм при температуре эксплуатации —10… +70°С. Функция на выходе: 0...10 В или 4...20 мА. Питание — постоянный ток. Магнитный инкрементальный линейный энкодер Balluff ВМL — S1А имеет разрешение 1, 2, 5 или 10 мкм, максимальную скорость перемещения 20 м/с, максимальную нелинейность 18 мкм, температура эксплуатации —20… +70°С, выходной сигнал: цифровые импульсы, RS422(TTL) или аналоговые sin/cos. Опорная точка: нет, однократная или периодическая. Возможное расстояние между магнитной головкой и магнитной лентой 0,01...0,35 мм. Питание 5В постоянного тока. В энкодерах ВМL — S1В и ВМL — S1Е возможное расстояние между головкой и магнитной лентой 0,01...2 мм.

Подобные параметры имеют датчики линейного положения серии Temposonics производства компании MTS sensors, также использующие физический феномен магнитострикции [11, 12].

Широкое распространение на практике получили оптико-электронные преобразователи линейных и угловых перемещений. В таких преобразователях входная величина (угловое или линейное перемещение) преобразуется в форму, удобную для восприятия техническим средством. При этом используется два основных метода преобразования смещений в цифровой код: последовательный счет единичных приращений (инкрементные оптико-электронные преобразователи) и непосредственное считывание (абсолютные преобразователи). В работе [13] рассмотрены обобщенная модель угловых и линейных преобразователей, их классификация, теоретические особенности проектирования накапливающих (инкрементных) оптико-электронных преобразователей линейных перемещений, конструктивные решения и основные характеристики таких преобразователей от различных производителей (ОАО Россия; HEIDENHAIN, Германия; Renishaw, Англия).

Обобщенную структурную схему оптико-электрического преобразования можно представить в виде совокупности следующих элементов: излучателя (И), кодирующей системы (КС), анализирующей структуры (АС), фотоприемного модуля (ФПМ), системы первичной обработки информации (СПОИ) и системы вторичной обработки информации (СВОИ), которые находятся в физической среде и имеют энергетическое обеспечение.

Излучатель И может включать несколько источников оптического излучения (ИОИ) и передающую оптическую систему (ПОС), формирующую требуемое поле оптического излучения.

Кодирующая система КС представляет собой пространственную периодическую структуру, хранящую единицу измеряемой величины, и может быть выполнена в виде линейной или круговой шкалы, растра, дифракционной решетки или голограммы.

Анализирующая структура АС, как правило, имеет ту же структуру, что и КС, и предназначена для определения дробной части единицы.

Фотоприемный модуль ФПМ преобразует оптические сигналы, образованные в результате прохождения излучения через КС и АС, в электрические и может содержать несколько приемников оптического излучения (ПОИ).

Система первичной обработки информации СПОИ, как правило, содержит электронную схему предварительной обработки измерительного электрического сигнала (предварительный усилитель и электронный фильтр).

Система вторичной обработки информации СВОИ окончательно преобразует полученную информацию о перемещении в форму (код или аналоговый сигнал), удобную для восприятия оператором или использования в измерительных системах.

Основная суть работы преобразователя состоит в том, что при перемещении КС относительно АС происходит изменение характеристик оптического сигнала от источника И, которые затем с помощью ФПМ трансформируются в электрические сигналы и эти сигналы сначала в СПОИ, а потом и окончательно в СВОИ преобразуются в форму, удобную для непосредственного использования. Для большинства практических применений, в силу ряда преимуществ, эта форма является цифровой.

В современных оптико-электронных преобразователях линейных перемещений излучатель И, анализирующая структура АС, фотоприемный модуль ФПМ и система первичной обработки информации СПОИ конструктивно объединены в считывающую головку, которая обычно закрепляется на подвижную часть объекта, в то время как КС закрепляется на неподвижной части. Возможно и обратное расположение: считывающая головка неподвижна, а перемещается КС.

Фотоэлектрический преобразователь линейных перемещений L18T закрытого типа, состоит из жесткого пустотелого профиля с закрепленной в нем растровой стеклянной шкалой и считывающей головки, перемещающейся по шкале на подшипниках качения [14]. Оптоэлектронное устройство считывающей головки вырабатывает синусоидальные или прямоугольные (стандарты RS422) выходные сигналы. Измеряемая длина: 70, 120, 170, 220, 270, 320, …, 1240 мм; погрешность на длине 1 метра в любом диапазоне ± 5 мкм; шаг деления шкалы 20 мкм; максимальная скорость перемещения 1 м ⁄с; рабочая температура −20…+50°С; температура хранения −20 …+70°С; допустимая вибрация (40…2000 Гц) ≤30 м ⁄с²; нулевые точки две по 35 мм от концов измеряемой длины; питание +5 В ± 5%; источник света – светодиод.

Представляют практический интерес датчики с тросиковым приводом [15]. Внутри датчика на барабан наматывается в один слой измерительный тросик. При вытягивании тросика барабан вращается, при этом измерительный датчик угловых перемещений, непосредственно связанный с осью барабана, вырабатывает электрические сигналы, характеризующие перемещение тросика. Возврат тросика и намотка на барабан осуществляется с помощью спиральной возвратной пружины на оси барабана. Конец тросика легко закрепляется на контролируемом объекте. Использование обводных роликов с гибким тросом позволяет измерить линейные перемещения в труднодоступных местах.

Тросовый датчик RХ50 имеет следующие технические характеристики: ± 5% … ± 0,02%; аналоговый выход: 0 – 10В, 4 – 20 мА; цифровой выход: RS422, SSI, CAN; рабочая температура − 20 …+ 85°С. миниатюрный тросовый датчик LХ имеет диапазон изменений 0 – 50 … 1250 мм, точность ± 0, 01%, аналоговый и цифровой выход, рабочую температуру − 25°С …+ 75°С [16].

Тросовый датчик с обводным роликом был использован в датчике питча ветроустановки USW 56-100.

Компания Honeywell представляет датчик SMART Position Sensors с возможностью самоконтроля [17]. Простая бесконтактная конструкция устраняет источники механических отказов, уменьшает износ, увеличивает надежность и долговечность, расширяет надежность и безопасность функционирования и минимизирует время простоя из-за отказов. Датчики доступны как с аналоговым выходом, так и с цифровым выходом для использования в системах управления, требующих обмен по RS-232 – подобному интерфейсу со скоростью 57,6 кбит ⁄с. Датчики SPS−L225−HALS (аналоговый) и SPS−L225−HDLS (цифровой) имеют следующие технические характеристики: диапазон чувствительности (измерения) 0 … 225 мм; разрешение 0, 14 мм, 0,0035 мм (цифровой); напряжение питания 6 … 4 В постоянного тока, RS-232 (цифровой); максимальный потребляемый ток 34 (88) мА; линейность ± 0, 4% от полной выходной шкалы; время начального запуска 30 мс; рабочая температура − 40 …+ 125°С; удары 50g полусинусоидальная волна длительностью 11мс; вибрация 20(10)g в диапазоне 10…2000 Гц.

В качестве датчиков угловых перемещений используются проволочные однооборотные и многооборотные потенциометры [18].

Преобразователь угловых перемещений или датчик угла (энкодер) представляет собой устройство, предназначенное для изменения угла поворота вращающегося объекта в электрические сигналы, которые позволяют узнать угол его поворота. Энкодеры делятся на инкрементальные и абсолютные. Энкодеры также бывают оптические, резисторные и магнитные [19].

В инкрементальных датчиках текущая координата определяется счетчиком путем подсчета импульсов от нулевой точки. В инкрементальных датчиках также есть референтная метка, которая используется для связи системы отсчетов, через нее проходят после включения оборудования. Чтобы знать направление перемещения используют два канала. В каналах одинаковая последовательность импульсов, но они сдвинуты на 90° относительно друг друга. Это дает возможность определить направление вращения и увеличить точность в два раза.

Оптический энкодер представляет собой стеклянный диск с оптическим растром, который жестко закреплен на валу. При вращении вала растр, связанный с ним, перемещается относительно неподвижного растра и при этом преобразовывается световой поток, который принимает фотодатчик.

Абсолютные оптические энкодеры — это датчики угла поворота, в которых каждому положению вала соответствует уникальный цифровой код. Код вместе с числом поворотов является главным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры считывают и сохраняют параметры вращения оптического диска, также как и инкрементальные энкодеры.

Магнитные энкодеры — это энкодеры, фиксирующие прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента вблизи чувствительного элемента, переделывая эти данные в цифровой код.

Основными преимуществами абсолютных энкодеров перед инкрементальными является возможность представления информации о положении вала сразу после подключения энкодера к источнику питания, а также возможность контроля числа оборотов вала с помощью встроенного оптомеханического редуктора.

Первым в мире разработчиком датчика углового положения стала компания FRABA POSITAL из Кельна, занимающаяся их производством с 1970 года. В настоящее время компания выпускает абсолютные энкодеры с разрешением до 30 бит (65536 меток в обороте, 16384 оборотов − это лучший мировой показатель) с различными видами интерфейсов, такими как параллельный, последовательный (SSI), Device Net и очень распространенный CAN (Control Area Network).

Датчики угла фирмы HEIDENHAIN имеют высокую точность до нескольких угловых секунд и выше. Количество штрихов от 9000 до 180000, точность от ± 5′′ до ± 0,4′′, шаг измерения до 0, 000005° или 0,018 (для инкрементальных датчиков) или 29 бит, около 536 млн. позиций на поворот (для абсолютных датчиков).

Представляют интерес миниатюрные относительные, стандартные однооборотные и многооборотные абсолютные энкодеры компании Kübler (Германия).

Для регулировки лопастей ротора ветровых энергоустановок с успехом используются индуктивные датчики угла поворота RI от Turck [20]. Бесконтактный принцип компенсирует биение подшипника и механические вибрации вала. Это гарантирует высокую линейность. Датчики имеют различные версии выходного сигнала: 0 … 10 В, 4 … 20 мА, 0,5 … 4,5 В и SSI – интерфейс.

Рассмотренные выше датчики линейных и угловых перемещений с успехом могут быть использованы в составе устройств поворота лопастей.

Литература:

1. Датчики перемещения (индуктивный, оптический, емкостной и другие типы). [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.devicesarch.ru/catalog/datchiki/peremeschenia. —Заголовок с экрана.

2. Классификация датчиков, основные требования к ним. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: http://www.allbest.ru. —Заголовок с экрана.

3. Осадчий Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин /Е.П. Осадчий, А.И. Тихонов В.И. Карпов и др. —М.: Машиностроение, 1979. —480 с.

4. Михеев В.П. Датчики и детекторы: Учебное пособие /В.П. Михеев, А.В. Просандеев. —М.: МИФИ, 2007. —172 с.

5. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. —М.: Техносфера, 2005. —592 с.

6. Датчики. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.prom-tex.org/products/linear-displacement/index.html. —Заголовок с экрана.

7. Линейные потенциометры. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: waycon.zu/linearpotentiometers.html. —Заголовок с экрана.

8. Датчик линейного перемещения. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: profikom.ua prom.net/p21143311-datchik-linejnogo-peremescheniya.html. —Заголовок с экрана.

9. Потенциометрический датчик линейных перемещений FWAxxxT. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.vec-ing.ru uploated/ALMEMO FWAxxxT.pdf. —Заголовок с экрана.

10. Датчики линейных перемещений. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.sensoren.ru /datchiki lineinih peremeshenii. —Заголовок с экрана.

11. Датчики линейного перемещения MTS sensors. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.ukrteh.kiev.ua /page /text /category=lin. —Заголовок с экрана.

12. Датчики линейных перемещений MTS Temposonics, BALLUFF miсropulse. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.sensor.ru /catalog/datchiki peremesheni. —Заголовок с экрана.

13. Коротаев В.В. Оптико-электронные преобразователи линейных и угловых перемещений. Часть 1. Оптико-электронные преобразователи линейных и угловых перемещений. / В.В. Коротаев, А.В. Прокофьев, А.Н. Тимофеев. —СПб: НИУ ИТМО, 2012. —114.с.

14. L18Т фотоэлектрический преобразователь линейных перемещений. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.tdsks.ru. —Заголовок с экрана.

15. Приборы для измерения угловых и линейных перемещений. Датчики с тросиковым приводом. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.sensorlink.ru /pdf/lineartline. 2012 rus. pdf. —Заголовок с экрана.

16. Тросоые датчики. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.sensor. —systems.ru /category 27.html. —Заголовок с экрана.

17. Фиксируя любые перемещения: датчики SMART Position Sensors компании Honeywell. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.compeljornal.ru. —Заголовок с экрана.

18. Потенциометры. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.eicompribor.ru /PotentiometersMultiWire. —Заголовок с экрана.

19. Энкодеры. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.sensor. dp.ua /catalog. —Заголовок с экрана.

20. Индуктивные датчики угла поворота. Новый принцип измерения в семействе датчиков угла поворота RI от Turck позволяет безошибочно производить бесконтактное измерение угла. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.turck.ru /news 769.htm. —Заголовок с экрана.