Общие сведения и классификация первичных преобразователей (датчиков)

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы «Политехнический колледж им. Н.Н. Годовикова» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по профессиональному модулю Технология формирования систем автоматического управления типовых технологических процессов, средств измерений, несложных мехатронных устройств и систем для специальности 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) ЛЕКЦИЯ 4 Измерительные преобразования систем управления Составитель Е. В. Елисеева Москва 2018 1 Содержание Тема 1 Общие сведения и классификация первичных преобразователей (датчиков) ……………………………………………………………………...…3 Тема 2 Реостатные и потенциометрические датчики………………………….7 Тема 3 Тензометрические датчики……………………………………………... 8 Тема 4 Терморезисторы…………………………………………………….….. 13 Тема 5 Индуктивные датчики…………………………………………………. 15 Тема 6 Емкостные датчики ……………………………………………….….…20 Тема 7 Фотоэлектрические датчики……. ………………………………….….24 Тема 8 Генераторные датчики…………………………………………….…… 26 Тема 9 Электрические контактные реле…………………….……………..…. .32 2 Тема: 1. Общие сведения и классификация первичных преобразователей (датчиков). Измерительные преобразователи системы управления. Контроль того или иного параметров производственного или технического процесса с целью использования полученной информации для управления последнем выполняется первичными преобразователями. Первичным преобразователем (датчиком) называют элемент, который устанавливают технологическое оборудование воспринимают контролируемый параметр. и который первым Эти устройства осуществляют преобразование одной физической величины (малых перемещений, момента, силы, температуры и др.), неудобные для последующего использования в качестве воздействия на объект управления, в другую физическую величину, пригодную для последующих преобразований с целью управления объектом. Такой величиной чаще всего является напряжение, сила тока, коэффициент самоиндукции, активное сопротивление, емкость. В общем виде датчик Д (рис. 3.1) можно представить в виде чувствительного элемента, ЧЭ и преобразователя Пр. Чувствительный элемент в системах автоматики и телемеханики выполняет функции "органов чувств". Он предназначен для преобразования контролируемые величины x в такой вид сигнала x 1, который удобен для измерения. В преобразователе, как правило, происходит преобразования не электрического сигнала x 1 в электрический сигнал у. Например, давление х в электроконтактном манометре сначала с помощью чувствительного элемента механическое перемещение стрелки x 1, а затем уже в преобразователе - в изменение сопротивления y. На вход датчика могут поступать как электрические, так электрические сигналы. С выхода датчика обычно получают электрические сигналы. Это вызвано тем, что электрический сигнал проще усиливать и передавать на различные расстояния 3 Общими характеристиками характеристика; инерционность; датчиков являются динамическая статическая (дифференциальная) чувствительность; порог чувствительности; погрешность; мощность; момент или усилие, требуемые от источника входного сигнала; выходная мощность и выходной сопротивление датчика. Рассмотрим некоторые из общих характеристик датчиков. Статическая характеристика показывает величины у от входной величины x, т.е. зависимость выходной (х-контролируемый, или регулируемый параметр, действующий на датчик; у-параметр, полученный после преобразования). Инерционность характеризуется отставанием изменений выходной величины у от изменений входной величины x. Она приводят к погрешностям измерении входной величины x. и поэтому является нежелательной. динамическая (дифференциальная) чувствительность датчика S или динамический коэффициент преобразования датчика Kднн показывает, во сколько раз приращение выходной величины больше приращения входной величины К числу основных признаков, позволяющих классифицировать первичные преобразователи, относятся принцип действий вид входного и выходного сигналов (рис. 3.2). В зависимости от принципа действия первичные преобразователи можно разделить на 2 группы: параметрические и генераторные. 4 Параметрические датчики служит для преобразования неэлектрической контролируемого или регулируемого параметра же параметры электрической цепи (R,L,C). эти датчики получают электрическую энергию от вспомогательного источника энергии. Параметрические датчики делятся на датчики активного потенциометрические, сопротивления тензодатчики, (контактное, терморезисторы) реостатные, и реактивного сопротивления (индуктивные, емкостные). Генераторные датчики предназначена для преобразования неэлектрической, контролируемого или регулируемого параметра в эдс. Эти датчики не требует постороннего источника энергии, так как сами являются источником эдс точка. Генераторные датчики бывает термоэлектрическими, пьезоэлектрическими и тахометрическими. К параметрическим и генераторным датчиком предъявляются следующие общие требования: непрерывно и линейная зависимость выходной величины у от входной х; высокое динамическое (дифференциальное) чувствительность; малая инерционность; наименьшее влияние датчика или регулируемый параметр; надежность в работе; 5 Применимость к используемой измерительной аппаратуре и источникам питания; наименьшая себестоимость; минимальные масса и габариты. По виду входного сигнала первичного преобразователя делятся на следующие группы: температуры, давления, разрежение, расхода, уровня состава и влажности веществ, плотностям, перемещение, скорости, ускорения и т. д. По виду подразделяется выходного на несколько сигнала групп. первичного Одна преобразователя группа преобразует контролируемую величину в изменения активного сопротивления, другая - в изменения, емкости, третья - в изменения индуктивности и т.д. В соответствии с требованиями "государственной системы приборов (ГСП)" первичные преобразователи, применяемые для автоматизации 6 технологических процессов на промышленных предприятиях, должны выдавать стандартные сигналы. Так, первичные преобразователи выходным сигналом которых является напряжение или сила электрического тока, должны отвечать ряду напряжения: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 5; 10; 20 В и силе тока 1; 2; 5; 10; 20 мА. Такая унификация необходима при использовании преобразователей в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) с управляющими цифровыми ЭВМ. При выборе датчиков необходимо также учитывать особенности исследуемого процесса: периодичностью максимальную частоту воздействий, атмосферные условия (влажности температуры воздуха), наличие вибрации в установке и так далее. Тема 2. Реостатные и потенциометрические датчики Реостатное потенциометрические датчики служат для углового или линейного перемещения в электрический сигнал. Эти датчики выполнена в виде преобразовательного сопротивление, подвижный контакт, которая механически связан с преобразуем элементом. Обычно не представляет собой проволочный реостат, ползунок которого перемещается под воздействием контролируемого или регулируемого параметра. Конструктивный реостатное и потенциометрические датчики состоит из каркаса, намотанные на него проволоки ползунка. Каркас датчиков изготавливается из текстолита, стеклотекстолита, пластмассы и алюминиевых сплавов, покрыта изоляционным лаком или оксидной пленкой. Каркасы, изготовлены из алюминиевых сплавов, более теплоустойчивых по сравнению с другими каркасами, что дает возможность повысить плотность тока в обмотке и в конечном итоге повысить чувствительность преобразователя. Каркасы могут выполняться в виде цилиндрической или плоской пластины, а также в виде кольца и сегмента. Проволока, которое наматывается на каркас, должна иметь большое удельное сопротивление малой температурный коэффициент сопротивления. Для обмоток ряз статных 7 и потенциометрический датчиков применяются константановая, манганиновая, нихромовая, новоконстантановая проволока. для датчиков с малым контактным давлением применяются проволокой сплавов серебра, платина и золото. Характеристика реостатный и потенциометрических датчиков является ступенчатой, так как непрерывному изменению контролируемого или регулируемого параметра соответствует ступенчатая ( дискретное) изменение сопротивления, равно значение сопротивления одного витка. это обстоятельство приводит к погрешности измерения, которую можно уменьшить за счет уменьшения диаметра проволоки. обычно применяются проволока небольшого диаметра ( до 100 долей миллиметра). при создании датчиков стремятся к тому, чтобы было как можно больше витков датчиков на единицу контролируемого и регулируемого параметра, что приводит к уменьшению ступенчатости характеристики уменьшения погрешности измерения ( как правило, не менее 100... 200). контактирующую с обмоткой часть ползунка часто изготавливают из серебра или сплава платины с серебром. вместо ползунка в датчике может применяться щетка, которая состоит из нескольких проволочек, соединенных параллельно. Тема 3. Тензометрические датчики. тензометрическим датчиком (тензодатчиком) называется датчик специальной конструкции, предназначена для измерения статических и динамических деформация в деталях и преобразующий эти деформации в изменении активного сопротивления. в основу работы тензодатчиков положено свойства материалов изменяет свое электрическое сопротивление под действием силы, приложенный к ним. в настоящее время широко применяют проволочные, фольговые и полупроводниковый тензодатчики. проволочные тензодатчики ( рис. 3. 5, а) конструктивно представляет собой отрезок тонкой проволоки 1 ( диаметром 0, 0 2... 0, 5 мм), которая 8 зигзагообразно наклеивается на тонкую бумажный или пленочный основу 2. сверху проволока также закрыта тонкой бумаги или пленкой. Для включения там задачка в схему концам проводки припаивают два медных проводника 3. Тензодатчик жестко закрепляется с помощью клея на испытуемую деталь 4. При растяжении сжатии детали в направлении расположения проволоки происходит растяжение или сжатия проволоки, что приводит к изменению длины, площади поперечного сечение S и удельного сопротивления материала проволоки. например, если до растяжение электрическое сопротивление проволоки было равно растяжении оно стало тензодатчиков применяют , то при Обычно для изготовления проволочных константановую или нихромовую или нихромовую проволоку, имеющую большое удельное сопротивление p небольшой температурный коэффициент сопротивления, то есть сопротивление этой проволоки мало зависит от температуры. Основными характеристиками проволочных тензодатчиков являются: номинальное сопротивление R, длина решетки (база) Iб и коэффициент тензочувствительности Кт. Последний можно определить по формуле 9 где - абсолютное изменение длины проволоки; изменение длины проволоки; - относительное - относительное изменение сопротивления тензодатчика. Значение коэффициента тензочувствительности проволочного тензодатчика обычно равно 1,8...2,5 и в большей степени зависит от технологии изготовления датчика и материала его проволоки. наибольшее распространение получили константана нихром, для которых Кт = 1,9...2,1. Сопротивление проволочного там задача лежит в пределах от 50 до 400 а ом. Иногда в лабораторных условиях применяются тензодатчики, и не имеющие подложки, то есть со свободным подвесом проволоки. основным достоинством таких датчиков является большая стабильность показаний при длительных измерения, так как на результат измерения не влияет ползучесть клея, которая в данном случае отсутствует. Проволочная темза датчики имеют малые габаритные размеры ( длина решетки равна 15... 45 мм; ширина 7... 10 мм) и малые массы, поэтому они могут размещаться в самых труднодоступных местах детали. Основными достоинствами проволочных тензодатчиков является простота конструкции., почти полное отсутствие их влияние на деформации детали, линейность характеристики ( рис. рис 3. 5, б) и низкая стоимость. К недостаткам проволочных тензодатчиков относятся низкая чувствительность и одноразовость действия. они подвержены влиянию окружающей среды ( температура и влага). Фольговые тензодатчики представляет собой дальнейшее развитие проволочных тензодатчиков. в них вместо решетки строки применяются решетка из из тонких полосок металлической фольге ( толщиной несколько микрон), которая наклеивается на пленочная основу. Конструкции решеток фольговых тензодатчиков могут иметь различные конфигурации получают методом фотолитографии. практически можно изготовить решетка любого 10 рисунка. в в технике в технике чаще применяют следующие конструкции решеток: прямая - для измерения линейных деформации ( рис. 3. 6, а); розеточная - для измерения крутящих моментов на круглых валах ( рис. 3. 6, б); мембранная - для измерения усилий, воздействующих на мембраны ( рис. 3. 6, в). фольга применяется толщиной 4... 12 мкм из константана, нихрома, титан - алюминиевого или золото - серебряного сплавов. Фольговой тензодатчик имеет большую площадь соприкосновения с деталью, чем проволочный, следовательно, его теплоотдача выше теплоотдача последнего. они более чувствительные точные за счет лучшей передачи деформация деталей к фольге, имеют хорошие механические контакт с контролируемой деталью и позволяет пропускать через фольгу большой ток. благодаря этому можно увеличить значение тока до 0, 2А, протекающего через фольговой тензодатчик. Сопротивление фольгового тензодатчика равно 50... 200 ом. значения коэффициентов чувствительности Кт у фольговых тензодатчиков такое же, какая проволочных Предел измерения относительных деформаций равен 0,3%, температурный диапазон работоспособности от Полупроводниковые тензодатчики имеет по сравнению с проволочными и фольговыми тензодатчиками ряд преимуществ: значения коэффициентов танца чувствительности в 60 раз выше; малые размеры ( для на решетке от 3 до 10 мм); большое значение выходного сигнала. Основным отличием полупроводникового тензодатчика от проволочного является большое ( до 50%) изменение сопротивления датчика при деформации высокая чувствительность к температуре (в 10...20 раз больше, чем у проводных датчиков). 11 Для изготовления полупроводниковых тензодатчиков применяется германий, кремний, арсенид галлия, мышьяк. и др. чаще применяют германий и кремний. Конструктивно полупроводниковый тензодатчик представляет собой пластину из германии или кремния, которая наклеена на бумагу. пластина снабжена металлическими выводами, с помощью которых дачах подключается в схему. номинальное сопротивление датчика обычно равно 40... 1000 ом. температурный диапазон работоспособность датчика составляет от - 160 до + 300 градусов по Цельсию, линейность изменения сопротивления сохраняются при относительных деформациях до Основным преимуществом полупроводниковых преобразователей является высокая чувствительность ( почти в 100 раз выше, чего проволочных). они большой выходной сигнал, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения усилителя. Основными недостатками полупроводниковых тензодатчиков является малая гибкость; небольшая механическая прочность; нестабильность параметров; большой разброс характеристик 1 типах датчиков, не линейной характеристики. 12 Тема 4. Терморезисторы Терморезистором называют устройства, содержащая проводник или полупроводник, электрическое сопротивление которого сильно меняется с изменением температуры окружающей среды. техники широко применяют терморезисторы с теплой чувствительным элементом виде проводника. материалом для проводника используют медь, никель и платину. такие термо резисторы получила название термометров сопротивление. последняя широко применяется в приборах для измерения температуры воздуха, воды и масла. Термометр сопротивления ( рис. 3. 7) представляет собой медленно, никелевую или платиновую проволоку 1, намотана слюдяной или керамические каркас 2, которая для защиты от механических повреждений помещать металлический корпус. при изменении температуры окружающей среды изменяется сопротивление термометра: где R1 – сопротивление термометра при температуре t, Ом; R0 – начальное сопротивление термометра при температуре t0, Ом; а – температурный коэффициент сопротивления, t – температура в момент измерения, начальная температура термометра, с помощью термометров сопротивления можно измерять температуру от 250 до + 550 градусов цельсия. 13 Основными достоинствами термометров сопротивления является стабильность, линейность характеристики простота изготовления. Основными недостатками термометр сопротивления является их тепловая инерционность. автоматики также широко применяют терморезисторы по чувствительным элементом виде полупроводника. такие терморезистор называется термисторами. Термисторы изготавливать из полупроводникового материала в качестве материала используется смесь окислов нескольких металлов ( никеля, титана марганца, кобальта и др.), а также соединения металлов с углеродом, азотом и прочими. термисторы имеют большой отрицательный коэффициент сопротивления. при увеличении температуры их сопротивление уменьшается, тогда как у проволочных термометров сопротивления наоборот увеличивается. Термистор конструктивно представляет собой шарик, диск или трубку 1 из полупроводникового материала с металлическими выводами 2 (рис. 3.8, а...в). Чтобы защитить термистор от действия влаги, его покрывают слоем лака, а иногда помешает закрыта стеклянный баллон. характеристика термистора представлена на рисунке 3.8,г. Следует отметить, что сопротивление термистора уменьшается с ростом его температура по закону 14 экспоненты. при измерении туры термисторы имеют ряд преимуществ перед металлическими термометрами сопротивления: высокое удельное электрическое сопротивление, благодаря чему термистор можно сделать очень маленьким; большое значение температурного коэффициента сопротивления полупроводника; высокая чувствительность. К недостаткам следует отнести нелинейность нестабильность характеристики; разброс характеристик. Тема 5. Индуктивные датчики Индуктивные сопротивления датчики снова электромагнитного на дросселя изменении при индуктивного перемещении 1 из подвижных деталей его, обычно якоря. они широко применяются для измерения малых угловых и линейных механических перемещений, деформации, контроля размеров детали, а также для управления следящими устройство. Индуктивный датчик представляет собой электромагнитный дроссель смена воздушным зазором б., обмотка 1 которого включена последовательно сопротивление нагрузки Zh ( рис. 3.9, а). Магнитопровод 2 якорь 3 обычно выполняют из магнитно - мягкого материала. при изменении воздушного зазора б ( входная величина) меняется индуктивность обмотки дросселя Lдр, а также сопротивление его обмотки Zдр Индуктивность обмотки дросселя 15 где w – число витков обмотки дросселя; Sn – площадь сочения воздушного зазора; H0 – магнитная проницаемость вакуума; б- величина воздушного зазора. Полное сопротивление обмотки дросселя где rдр – активное сопротивление обмотки дросселя; w – угловая частота источника переменного тока. При включении в цепь активно-индуктивной нагрузки падение напряжения на нагрузке ( выходное напряжение) можно определить по формуле Где Rh – активное сопротивление нагрузки; Lh- индуктивное сопротивление нагрузки. Следует отметить, что при уменьшении величины зазор б индуктивность обмотки дросселя Lдр увеличивается, а это в свою очередь приводит к уменьшению падения напряжения на нагрузке Uн. На рисунке 3.9, б приведены идеальная статическая характеристика ОА и реальная характеристика ВС нереверсивного индуктивного датчика отличается от идеальной тем, что имеет некоторую нелинейность. это вызвано тем, что при нулевом зазоре индуктивность обмотки дросселя поэтому падение напряжения на нагрузке , а имеет какое то определенное значение ( напряжение холостого хода зазоре реальная статическая характеристика насыщения, определяемые напряжением насыщения , ). при большом ВС содержат участок . 16 К достоинствам не реверсивного индуктивного датчика следует отнести высокую чувствительность, надежность и долговечность, отсутствие контактных устройств, значительную величину выходной мощи ( до сотен вольт - ампер), простоту конструкции эксплуатации. Основными недостатками датчика является наличие напряжения на выходе при нулевом воздушном зазоре , нелинейность реальные статические характеристики; возникновение больших усилий между якорем и сердечником дросселя ( до нескольких килограммов), которой необходимо преодолевать. от перечисленных недостатков в значительной степени свободы реверсивные датчики, которые имеют чувствительность 2 раза большую, чем нереверсивные датчика Реверсивная датчики включается или по дифференциальной ( рис. 3.10, а), или по мостовой схеме ( рис. 3.10, б) и состоят из 2 не реверсивных датчиков, имеющих общее якорь 1. усилия, действующая на якорь, равно разности сил притяжения со стороны сердечников 2. в среднем положение якоря при наличии полная симметрия реверсивного датчика результатирующие усилие равно 0, а в других положениях якоря оно небольшое. Реальная статическая характеристика реверсивного датчика ( кривая III) приведена на рисунке 3.10, в/ она получается путем алгебраического суммировании ординат характеристик не реверсивных датчиков ( кривые I и II). за начало отсчета перемещений берут среднее положение якоря, при котором схема будет уравновешенными падение напряжения на нагрузке . При небольших отклонениях якоря напряжение возрастает практически линейно. 17 При изменении знака перемещение ( переход якоря через среднее положение в противоположную сторону) фаза напряжение "" меняется на 180°. В настоящее время применяется большое количество индуктивных датчиков, отличающихся друг от друга по конструктивному из схемному исполнения. автоматике наибольшее распространение получил дифференциальный датчик, включающийся с помощью разделительного трансформатора Тр ( рис. 3.10, а ). К достоинствам рассмотренных реверсивных датчиков можно отнести большую, чему не реверсивных датчиков, линейность статические характеристики; меньшую зависимость характеристики от колебаний напряжения, температуры и тому подобное. Основным недостатком реверсивных датчиков является сложность регулировки ( балансировки) датчика. Рассмотренные датчики применяют для входных перемещений от 0.001 до 1 мм. для перемещения от 1 до 60 мм применяют датчик соленоидного типа, включающиеся по мостовой схеме ( рисунок 3.11). В этом датчике 18 изменения индуктивности обмотки L происходит за счет перемещения ферромагнитного сердечника 1 в катушке 2. В автоматике ( с гироскопических устройствах) применяя также трансформаторный индуктивный датчик ( рисунок 3.12), принцип действия которого основан на изменении взаимной индуктивности потокосцепления и значение эдс в обмотках датчика при перемещении ферромагнитного сердечника 1. На обмотку возбуждения wв, расположена на среднем стержне, подается напряжение питания U, обмоток w 1 и w 2, которая расположена на крайних стержнях и которые соединены между собой так, что наводимые в них эдс имеют противоположную фазу, снимается напряжение нагрузки Uн ( выходное напряжение). При симметричном положении якоря 1 ЭДС в обмотках w1 и w2 равны между собой. В этом случае напряжение Uн = 0. При смещении якоря 1 от симметричного положения в обмотках w1 и w2 создаются разные по значению ЭДС, в результате чего происходит изменение напряжения Uн. Фаза напряжения Uн (выходного напряжения) определяется знаком отклонения якоря от его симметричного положения. 19 Трансформаторный индуктивный датчик имеют большое перемещение якоря и цепь нагрузки его электрически не связан с цепью питания, то есть в этом датчике между ними существует только магнита связь. рассмотрены индуктивные датчики применяется в основном на частотах 3000... 5000 герц. на высоких частотах они применяются редко, так как на этих частотах резко возрастают потери ферромагнитном материале на перемагничивание и растет реактивное сопротивление обмоток. в автоматике также применяют магнитоупругие датчики, в основу работы которых положен магнитоупругий эффект, то есть изменения магнитной проницаемости h происходит в результате того, что под воздействием упругих механических деформаций изменяется ориентации кристаллов ферромагнитного материала, что приводит к изменению энергии намагничивания. Тема 6. Емкостные Датчики. Емкостной датчик представляет собой конденсатор, в котором емкостное сопротивление изменяется при изменении измеряемой ( регулируемой) неэлектрической величины. Известно, что емкость конденсатора зависит от следующих параметров: расстояние между пластинами( обкладками); площади пластин; диэлектрической постоянной среды между пластинами. например, Емкость плоского конденсатора определяется по формуле где Е – относительная диэлектрическая проницаемость среды, пФ/см (для воздуха Е = 1); S – активная площадь пластин (обкладок) конденсатора, dрасстояние между пластинами (обкладками), см. В соответствии с формулой можно постоить емкостные датчики, в которых преобразование измеряемой (регулироемой) неэлектрической величины будет происходить за счет изменения d,S и E. 20 На рис. 3.14,а показан емкостный датчик, в котором измеряемая (регулируемая) величина вызывает изменение расстояния между пластинами d. При перемещении подвижной пластины 1 вверх значение d увеличивается, что приводит к уменьшению емкости датчика. Если подвижная пластина 1 перемещается вниз, то емкость датчика увеличивается. Статическая характеристика датчика (рис. 3.14,б) показывает зависимость между относительным изменением расстояния между пластинами и относительным изменением емкости Для увеличения емкости применяют многоступенчатые емкостные датчики, которые выполняют из нескольких рассмотренных датчиков, расположенных один под другим и имеющим подвижные пластины, причем подвижные пластины датчика укреплены на общей оси. Емкость таких датчиков в зависимости от конструкции равна от нескольких десятков до нескольких сотен пикофарад. Рассмотренные датчики позволяют измерять малые перемещения (до десятых долей микрона). Емкостный датчик с переменной активной площадью пластин показан на рис. 3.15, а. Он представляет собой обычный воздушный конденсатор переменной ескости, в котором при повороте подвижной пластины 1 по отношению к неподвижной пластине 2 изменяется активная площадь пластин конденсатора, что приводит к изменению его емкости. Для увеличения 21 чувствительности такого датчика применяют также многопластинчатые емкостные датчики. Емкостные датчики с переменной активной площадью пластин часто применяют для измерения линейного и углового перемещения. На рис. 3.15,б изображен емкостный датчик, в котором относительные диэлектрические проницаемости сред между пластинами Е1 и Е2 изменяются. Такой емкостный датчик применяемости для измерения уровня жидкости. Основным достоинствами емкостных датчиков являются: высокая чувствительность, отсутствие подвижных трущихся деталей; простота конструкции, малые размеры и масса; малый собственный момент; малая инерционность. К недостаткам емкостных датчиков следует отнести большое внутреннее сопротивление, влияние на работу датчика паразитных емкостей (требуется экранировки); необходимость усиления снимаемого сигнала; потребность источника напряжения высокой частоты; сильное влияние изменения температуры и влажности монтаж следует производить очень короткими проводами, а это не всегда удобно. Емкостные датчики широко применяются в автоматике для контроля линейных и угловых перемещений, расстояний между деталями, состава 22 физических смесей, температуры, уровня жидкостей, давления, влажности диэлектрических материалов и т.п. 23 7. Фотоэлектрические датчики Принцип действия фотоэлектрических датчиков ( фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, то есть они реагируют на изменение светового потока. В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают 3 группы фотоэлементов: с внешним и внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем ( вентильные). Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 3.16,а) представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. катод 1 образован светочувствительным слоем ( цезий или сплав сурьмы с цезием) и нанесен на внутреннюю поверхность лампы, а анод 2 выполняются в виде кольца или пластины. Нередко не окисляет поверхность металла, но способен ионизироваться под ударами летящих электронов увеличивает за счет своих ионов значение протекающего тока. под действием световой энергии с поверхности выбираются электроны, образующая электрический ток ( внешний фотоэффект). Промышленность выпускает фотоэлементы следующих типов: ЦГ - цезиевые газонакопленный; СЦВ - сурьмяно-цезиевый вакуумный; ЦВ - цезиевый вакуумный. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладает высокой чувствительностью и высокой температурной стабильностью. для них характерно линейная зависимость фототока от светового потока. к числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, которые ограничивают их применение в автоматических системах управления, относятся: необходимость повышенном напряжение питания; хрупкость стеклянного баллона; старения и утомляемость, то есть снижение чувствительности при сильной освещенности. Фотоэлемента с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) чувствительнее элементов первого типа, использующих фотоэффект со 24 свободной поверхности металла. фотоэлементы с внутренним фотоэффектом не нуждаются во вспомогательной энергии и им может быть передана весьма разнообразная и очень удобная форма. недостатками их являются: подверженность влиянию окружающей температуры, утомляемость высокая инерционность. последнее ограничивает применение фотоэлементов с внутренним фотоэффектом при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц. Фоторезисторы ( рис. 3.16, б) представляет собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным тонким слоем селена или сернистых соединений различных металлов ( таллия, висмута, кадмия, свинца). к пластине прикреплены электроды 2, имеющие контакт с полупроводниковым слоем. Размера фоторезисторов очень невелики. При подаче к электродам напряжение через фоторезистор будет протекать ток, значение которого пропорциональна освещенности. зависимость тока от освещения имеет нелинейную величину. однако чувствительность фоторезисторов сотни раз 25 превышает чувствительность вакуумных элементов, что позволяет их использовать в автоматических устройствах без усилителей. У вентильных преобразователей свободные электроны, изменяю свою энергию под действием своего потока, остаются в веществе. Промышленностью получили наибольшее распространение селеновые и меднозакисные фотоэлементы. Селеновый фотоэлемент (рис. 3.16, в) имеет 4 рабочих слоя. 1 слой образован тонкой пленкой золота, далее идут запирающий слой 2, селеновый слой 3 и стальная подкладка 4. Запирающий слой, обладает детекторным свойствам, пропускает электроны, выделившиеся из пленки золото, и препятствует прохождение электронов противоположного направления. таким образом, световой поток, проходя через пленку золота, создает вентильный фотоэффект. электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный, что приводит к возникновению разности потенциалов "" Фотоэлектрические датчики простой по устройству и достаточно надежны в работе. они находят широкое применение в системах автоматики в литейных и термических цехах: для автоматического управления освещением цехов, измерения температуры жидкого металла и нагретых деталей ( фотоэлектрические пирометр), определение прозрачности жидкостей или газов, подсчета форм и изделий, проходящих по конвейеру, для контроля пламени в топках топливных печей. они применяют в системах защиты обслуживающего персонала от травм и тому подобное. Тема 8. Генераторные датчики. Генераторным датчиком относятся термоэлектрические, пьезоэлектрические и тахометрические датчики. Термоэлектрические датчики. к числу термоэлектрических датчиков типа можно отнести термопары, в которых изменения температуры преобразуется в термоэлектродвижущую сила ( термо эдс) Е. в основу 26 работы термопары положено явление термоэлектрического эффекта. это явление заключается в том, что если соединить концы 2 разнородных по материалу проводников 1 и 2 (рис. 3.17,а) и места соединения поместить в среду с различными температурами t 1 и t 2 то в цепи термопары появятся термо эдс, которая будет тем больше чем больше разность температур концов термопары t 1 - t 2. Конец термопары, имеющий температуру t 1, называется рабочим концом, а конец термопары, находящийся при постоянной температуре t 2, называется свободным концом. проводнике 1 и 2, с помощью которых образуется термопара, называется термо электродами. Термоэлектроды обычно изготавливают из чистых металлов ( платина, золото, никель, медь, железо, вольфрам, молибден), сплавов ( константан, нихром, платинороди, чугун, алюмель, копель, хромель) и полупроводниковых материалов ( уголь, карборунд). Термоэлектроды термопары соединяют между собой пайкой или сваркой. Если термопару используют в качестве датчика, то ее сначала градуирует, то есть определяет зависимость термо эдс а температура рабочего конца t 1 при температуре свободного конца t 2 = 0° С ( температура таяния льда). 27 При точном определении температуры по величине термо эдс необходимо пользоваться стандартными градуировочными таблицами. На рисунке 3.17,б приведены характеристики 3 термопар, которая представляет собой почти линейную зависимость термо эдс от температура рабочего конца. Следует отметить, что любая термопар обладают следующими основными свойствами: если не изменяет температуру рабочего t 1 и свободного t 2 концов, то абсолютное значение термо эдс остается постоянным при нагревании любой точки проводника термопары; значение термо эдс не изменится, если в разрыв термопары включить 3 проводник, оба конца которого имеют одинаковую температуру. Термопара 1 может включаться как непосредственно в цепь измерительного прибора 2 (рис. 3.17,в), так и по компенсационной схеме. принцип компенсации основан на уравновешивания термо эдс термопары 28 равны противоположные по знаку напряжением. этот принцип широко применяется в потенциометрах. В техники часто измерительный прибор 2 расположен на значительном расстоянии от термопары 1. в этих случаях соединения измерительного прибора термопары осуществляется с помощью компенсационных проводов 3 (см. рис. 3.17,в). Если термопары изготовленные из дешевого материала ( никель, медь, копель, алюмель), то и компенсационные провода изготавливать из того же материала. Если термопары изготовленные из дорогих материалов ( платина, золото, вольфрам, молибден), то компенсационные провода изготовляют из дешевых материалов, но имеющих в паре туже термо эдс, как основные материалы. основными достоинствами металлических термопар является простота и дешевизна, большое разнообразие конструктивных форм исполнения. К недостаткам металлических термопар можно отнести наличие паразитных термо эдс; тепловую инерционность. Основными недостатками полупроводниковых термопар являются: сравнительно небольшой диапазон измерения температур ( от 200 до 400° С); малая прочность. Пьезоэлектрические датчики. они основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта. пьезоэлектрический эффект бывает прямым и обратным. прямой пьезоэффект заключается в том., что некоторые материалы имеют способность образовывать на грани к своей поверхности при воздействии на них механических нагрузок электрические заряды. обратные пьезоэффект состоит в том, что если к этим материалам прикладывать электрическое поле, то они будут механический деформироваться. количественно пьезаэффект можно оценить пьезоэлектрическим модулем d, который устанавливает пропорциональность между значениями возникающего заряда q и приложены силы p: 29 К важнейшим природным материалам, которые обладают пьезоэлектрическим эффектом, можно отнести кварц, так как он имеет высокие пьезоэлектрические температурную зависисмость и и изоляционные очень высокое свойства, малую сопротивление. Из монокристалла кварца вырезаются шайбы, диски или пластины таким образом, чтобы наибольшая плоскость была перпендикулярна кристаллографической оси х (рис. 3.18,а), которая называется электрической, или пьезоэлектрической, осью. При воздействии на пластину силы Р по оси х на ее гранях возникает заряд, который зависит только от приложенной силы Р и не зависит от геометрических размеров пластины. В этом случае возникает так называемый продольный пьезоэффект. Поперечный пьезоэффект можно получить, если пластину сжимать силами Р по механической оси у. Тогда на тех же гранях возникает заряд, но противоположного знака. Значение этого заряда можно найти по формуле Где I-длина пластины; а-ширина пластины (см. Рис. 3.18,а). 30 Из формулы следует, что Qn при поперечном пьезоэффекте зависит от отношения I/a. Изменяя данное отношение в определенных пределах, можно изменять чувствительность преобразователя. Пьезоэлектрические датчики конструктивно, как правило, представляют собой набор нескольких шайб, дисков или пластин, которые механически соединяются последовательно, а электрически – параллельно (рис. 3.18,б). Суммарный заряд в этом случае определяется по формуле: Где n- число шайб, дисков или пластин; Q – заряд, возникающий на одной шайбе, пластине или на одном диске. При использовании пьезоэлектрических датчиков обычно измеряют не заряд, а напряжение на емкости, образуемой обкладками щайбы, диска или пластины. Это напряжение находится по формуле Где Сд – собственная емкость пьезоэлектрического датчика. Для пьезоэлектрических датчиков, кроме природных материалов кварца турмалина, в технике также применяют искусственные кристаллы: сегнетова соль, дигидрофосфат калия, дигидрофосфат аммония. пластины из искусственных кристаллов вылезает под некоторым углом к полярным осям ( 45°). Сегнетова соль имеет высокий пьезоэлектрический модуль d, которой в 70 раз больше пьезоэлектрического модуля кварца, но она имеет очень низкую механическую прочность, а также большую зависимость характеристик от температуры и влажности. В настоящее время в технике широко применяют сегнетоэлектрики в виде пьезокерамика титаната бария его композиций, титаната свинца и других. эти сегнетоэлектрики по сравнению с кварцем имеет больший 31 пьезоэлектрический модуль и более высокую механическую прочность. Они изготовляются любой формы и размеров. Основным достоинством всех пьезоэлектрических датчиков является их без инерционность, основным недостатком - малая выходная мощность. Поэтому для усиления выходной мощности пьезоэлектрических датчиков применяют усилителя. Так как эти датчики имеют большое выходное сопротивление. пьезоэлектрические датчик и усилитель соединяются между собой с помощью экранированного кабеля. Пьезоэлектрические датчики очень часто применяют для измерения быстропротекающих процессов. Эти датчики могут, например, измерять давление газов в двигателях внутреннего сгорания и в стволах артиллерийских орудий, а также регистрировать ударов метеоритов частиц на искусственных спутниках земли. Тахометрические датчики. К тахометрическим датчикам можно отнести тахогенераторы, электческие машины, которые представляют преобразующие собой механическое маломощные вращение в электрический сигнал. Исполнительный элемент (обычно система контактов) при срабатывании реле воздействует на управляемую цепь, изменяя ее параметры, т.е. соединяет либо разъединяет два или несколько проводников электрической цепи. Регулирующий элемент используют для настройки реле. Тема 9. Электрические контактные реле Электрическое контактное реле (рис.3.28,а) в общем случае является промежуточным элементом, который приводит в действие одну или несколько управляемых электрических цепей при воздействии на обмотку его определенных электрических сигналов, подаваемых от управляющей цепи. Характеристика реле показана на рис. 3.28,б. При увеличении входной величины Х от 0 до Хс выходная величина у остается постоянной и равной Уот. В момент Х = Хс выходная величина скачком изменяется от значения Уот до значения Ус, т.е. происходит срабатывание реле. Если и дальше 32 цвеличивать входную величину, то выходная величина остается постоянной и равной Ус. При дальнейшем уменьшении входной величины в момент Х=Х происходит отпускание реле, выходная величина при этом уменьшаяется скачком и становится равной Уот. Величина отпускания Хот реле меньше величины срабатывания Хс. Латунного штифта 5, крышки (сердечника) 6, контактной перемычки 7 и упоров 8. При пропускании тока по обмотке катушки, которая вставляется в цилиндрический корпус, за счет электрического усилия Fэм. 33 34