Содержание
Чувствительные элементы или датчики
Датчики сопротивления
Датчики индуктивности
Емкостные датчики
Датчики напряжения
Датчики тока
Свойства фотоэлементов определяются их характеристиками
Датчики АУС
Струнные датчики
Магнитоупругие датчики
Чувствительные элементы или датчики
Датчиком называется первичный элемент автоматическойсистемы, реагирующий на изменение физической величины, характеризующей процесс,и преобразующий эту величину в другую, удобную для работы последующих элементов.Статической характеристикой датчика является зависимость изменения выходнойвеличины от изменения входной.
Чувствительностью датчика, или его коэффициентом усиления,называется крутизна статической характеристики.
Датчики можно классифицировать либо по тем величинам,которые они должны измерять (датчики давления, датчики уровня), либо по темпараметрам, в которые преобразуются измеряемые величины (датчики сопротивления,датчики индуктивности). Более рациональная классификация по второму признаку,так как два индуктивных датчика, служащие для измерения различных величин (например,давления, уровня), сходны между собой и имеют близкие конструктивные иэксплуатационные характеристики. В то же время емкостный и индуктивный датчики,служащие для измерения одной и той же величины, сильно отличаются друг от другапо конструкции, схеме и характеристикам.
Так как многие физические величины предварительнопреобразуются в одну и ту же механическую величину — перемещение (например,изменение уровня преобразуется в перемещение поплавка), то значительная частьдатчиков может быть сконструирована в виде устройств, преобразующих перемещениев ту или иную выходную величину. По выходному параметру датчики могут бытьклассифицированы следующим образом: датчики сопротивления, датчикииндуктивности, датчики емкости, датчики напряжения, датчики тока, датчики фазы,датчики частоты, датчики числа импульсов, датчики длительности импульса,датчики давления (пневматические или гидравлические).
В некоторых случаях осуществляется несколько стадийпреобразования регулируемого параметра, например из механической величинысначала в какую-либо другую (например, тепловую, световую и т.д.), а затем ужев электрическую или пневматическую.Датчики сопротивления
Основными типами датчиков сопротивления являютсяпотенциометрические датчики, угольные датчики, тензометры и термометрысопротивления.
Потенциометрические датчики применяют чащевсего для измерения перемещений. Главное их достоинство в простоте и отсутствиинеобходимости последующего усиления. Основными недостатками их являются наличиескользящего электрического контакта, необходимость относительно большихперемещений движка и значительного усилия для его перемещения. Простой реостат,изменяющий ток в электрической цепи при перемещении его движка, почти неиспользуют в автоматике ввиду значительной нелинейности его характеристики.
Угольные датчики применяют в основном дляизмерения больших усилий и давлений. Обычно угольный датчик имеет вид столбикаиз графитовых дисков, на концах которого находятся контактные диски и упорныеприспособления, воспринимающие измеряемые усилия. Сопротивление такого столбикаэлектрическому току складывается из собственно сопротивления графитовых дискови переходного контактного сопротивления поверхностей их соприкосновения. Из-занеровности поверхностей графитовых дисков их соприкосновение происходит не поплоскости, а по отдельным точкам. Если угольный датчик подвергнуть сжатию, топлощадь соприкосновения графитовых дисков увеличивается и переходное контактноесопротивление уменьшается. Это свойство и используют в угольном датчике.
Существенными недостатками угольных датчиков являютсянелинейность характеристики, нестабильность сопротивления и значительный (до 5%)гистерезис, т.е. различие между сопротивлением для одних и тех же величинусилий при сжатии и последующем снятии сжимающего усилия.
Область применения угольных датчиков ограничена измерениембольших усилий и давлений, не требующих большой точности.
Тензометры изготовляют либо из тонкойпроволоки, либо из особой массы — тензолита. В обычном исполнении проволочныйдатчик представляет собой тонкую (15-60 мк) проволоку, сложенную в видерешетки и обклеенную с двух сторон папиросной бумагой. Такой элементприклеивают прочным клеем к детали для измерения ее деформации. Измерениедеформации основано на изменении сопротивления проволочки при ее растяжении илисжатии, происходящем при деформации детали. Тензолитовые датчики, выполняемые ввиде стерженьков диаметром до 1 мм, также наклеивают на деталь; ониизменяют сопротивление при ее деформации.
Тензодатчики широко применяют для измерения деформациидеталей в самых различных областях техники. Они характеризуются малымотносительным изменением сопротивления не более 1%, что требуетизмерительных схем высокой чувствительности.
Статическая характеристика проволочных датчиков имеетлинейный вид, т.е. чувствительность проволочных датчиков практически постоянна.Для измерения применяют проволочные датчики из материала типа константана снебольшой чувствительностью (порядка 2), но с малым температурным коэффициентомсопротивления.
Сопротивление таких датчиков обычно равно 100 — 200 Ом. Сцелью повышения чувствительности (до 3-4) применяют датчики из сплавов типаэлинвара, характеризуемых относительно высоким температурным коэффициентомсопротивления. Сопротивление таких датчиков выбирают равным 500-1000 Ом. Дляувеличения чувствительности применяют включение в мостовую схему двух или дажечетырех одинаковых проволочных датчиков.
Термометры сопротивления получили широкоераспространение для измерения температур различных сред в пределах от — 50 до+800° С.
Действие электрических термометров сопротивления основано насвойстве некоторых материалов менять свое электрическое сопротивление приизменении температуры.
Для изготовления термометров сопротивления используют медь,никель, сталь, платину и другие металлы. Медь применяют при измерениитемператур в пределах до 180° С, сталь и никель до 300° С в атмосфере,свободной от влаги и коррозионных газов, особенно сернистых; платину от — 200до +900° С в агрессивных средах. Сопротивление таких датчиков выбирают равным40-100 Ом.
В последнее время в качестве термометров сопротивленияиспользуют термисторы, которые изготовляют из полупроводников, представляющихсобой оксиды, сульфиды, карбиды металлов с большим отрицательным температурным коэффициентом.
Термисторы изготовляют прессованием и обжигом измельченных иочищенных материалов, а затем покрывают защитным слоем эмали или лака, имеющиходинаковый с исходными материалами коэффициент расширения.Датчики индуктивности
Принцип работы датчиков основан на изменении индуктивногосопротивления катушки со сталью. Датчики индуктивности широко применяютблагодаря их существенным достоинствам: простоте, надежности и отсутствиюскользящих контактов; возможности непосредственного использования показывающихприборов за счет относительно большой величины отдаваемой электрическоймощности; возможности работы на переменном токе промышленной частоты.
Основной областью применения индуктивных датчиков являетсяизмерение угловых и линейных механических перемещений. Изменение входногопараметра в датчиках индуктивности преобразуется в изменение индуктивностикатушки благодаря перемещению якоря, сердечника или катушки.
Индуктивные датчики применяют только наотносительно низких частотах (до 3000-5000 Гц), так как на высокихчастотах резко возрастают потери в стали на перемагничивание и реактивноесопротивление обмотки.
Для устранения недостатков, свойственных рассмотренномудатчику индуктивности, которые состоят в том, что для измерения перемещенияякоря в обоих направлениях необходимо иметь начальный воздушный зазор, т.е. иначальную силу тока, из-за чего создается неудобство в измерении, значительныепогрешности от колебаний температуры и питающего напряжения, а также дляустранения электромеханического усилия притяжения якоря, зависящего от величинывоздушного зазора, применяют дифференциальный индуктивный датчик.
Датчики индуктивности с подвижным сердечникомсодержат две одинаковые катушки, расположенные на одной оси. Внутри катушекперемещается сердечник цилиндрической формы, связанный с измерителем. Еслисердечник расположен симметрично относительно катушек, то индуктивныесопротивления катушек одинаковы. При перемещении сердечника в ту или другуюсторону изменяется индуктивность катушек. При этом индуктивность той катушки, всторону которой переместился сердечник, растет, а другой — уменьшается. Соответственноизменяется сила токов, проходящих через катушки.
Работа всех рассмотренных датчиков основана на изменениииндуктивности. Существуют датчики, работа которых основана на изменениикоэффициента взаимной индукции двух катушек. Такие датчики называютсятрансформаторными, или индукционными, и содержат две катушки: однапитаетсянапряжением переменного тока, другая является выходной, и с нее снимаетсянапряжение, пропорциональное перемещению якоря или сердечника.
Трансформаторные датчики выполняют спеременным зазором между якорем и сердечником, для измерения малых перемещений;с переменной площадью зазора, используемые для измерения средних перемещений, ис подвижным сердечником, используемые для измерения перемещений с широкимдиапазоном. Последние имеют преимущество перед другими трансформаторнымидатчиками, так как сердечник может быть отделен от катушек герметическойтрубкой. Такой датчик называют плунжерным.
В некоторых случаях выходная катушка состоит из двух катушекW2lи W2U, включаемых одна навстречу другой. У некоторыхдатчиков, наоборот, вторая катушка может поворачиваться или перемещатьсяотносительно сердечника. Такие трансформаторные датчики с подвижной рамкойназывают ферродинамическими.
Особенностями трансформаторных датчиков является возможностьбольших перемещений якоря и отсутствие электрической связи между измерительнойцепью и цепью электрического питания. Между ними существует только магнитнаясвязь, что во многих случаях является преимуществом.Емкостные датчики
Емкостный датчик представляет собой обычныйплоский или цилиндрический конденсатор, изменение емкости которого происходитлибо за счет перемещения одной из пластин, либо за счет изменениядиэлектрической постоянной среды е, находящейся между пластинами. Перемещениепластин вызывает изменение емкости благодаря изменению расстояния между пластинамиб или площади пластин. Все емкостные датчики работают на переменном токе, какправило, с повышенной частотой и требуют обычно применения дополнительныхусилителей напряжений, так как сигнал, получаемый от емкостных датчиков, имееточень малую величину.
Емкостный датчик с переменным расстоянием между пластинамиимеет одну неподвижную и одну подвижную пластины, связанные с измерителем. Благодаряперемещению подвижной пластины изменяется зазор между пластинами, что приводитк изменению емкости датчика. Для увеличения чувствительности и уменьшениявлияния посторонних факторов такой датчик обычно выполняют дифференциальным, т.е.он содержит две неподвижные и одну подвижную пластины. При перемещенииподвижной пластиныизменяются емкости и между подвижнойинеподвижными пластинами.
Емкостные датчики включают в соседние плечи мостовой схемы.
Емкостный датчик с изменением площади пластин состоит изряда неподвижных и подвижных пластин, которые поворачиваются на определенныйугол. При повороте подвижных пластин по отношению к неподвижным изменяетсявеличина активной площади датчика, что приводит к изменению емкости датчика.
Емкостные датчики с изменяющейся диэлектрической постояннойсреды можно применять для измерения концентрации электролитов или уровняжидкости. Обычно такие датчики выполняют в виде двух коаксиальных цилиндров,между которыми находится измеряемая жидкость. При изменении концентрацииэлектролита или уровня жидкости линейно изменяется емкость датчика.
Датчики напряжения
У датчиков напряжения величина выходного напряженияпропорциональна значению регулируемого параметра. Изменение значениярегулируемого параметра приводит к изменению выходного напряжения. К датчикамнапряжения могут быть отнесены сельсинные передачи, работающие в так называемомтрансформаторном режиме, пьезоэлектрические датчики, термопары, различныетахогенераторы и др.
Сельсины обычно выполняют по типу асинхронныхмашин переменного тока, т.е. они имеют ротор и статор, на которыхуложены соответствующие обмотки.
В пазах статора находится трехфазная статорная обмотка,причем фазные обмотки в пространстве смещены на 120°. Ротор сельсина имеетоднофазную, а иногда и трехфазную обмотки. Сельсины некоторых типов выполняют стрехфазной обмоткой на роторе и однофазной — на статоре. Сельсинная передачасостоит из двух сельсинов — датчика СД и приемника СП и можетслужить как для передачи на расстояние угловых перемещений, так и в качествеизмерительного устройства, вырабатывающего на выходе напряжение, зависящее отугла рассогласования роторов сельсин-датчика и сельсин-приемника.
Режим работы сельсинов в схемах передачи на расстояниеугловых перемещений называется индикаторным.
Основной характеристикой индикаторного режима работысельсинной передачи является зависимость синхронизирующего момента от угларассогласования между роторами сельсин-датчика (СД) и сельсин-приемника(СП).
Основной статической характеристикой этого режима работыявляется зависимость напряжения, индуктируемого на роторной обмотке СП отугла рассогласования между роторами СД и СП.
Работа пьезоэлектрических датчиков основана напьезоэлектрическом эффекте, свойственном некоторым кристаллам. Датчики обычноизготовляют из кварца, так как при сильно выраженном пьезоэлектрическом эффектеи одновременно высокой механической прочности свойства кварца мало зависят оттемпературы и отличаются высокими изоляционными качествами.
Тахогенераторы служат для получениянапряжения, пропорционального скорости вращения, и их используют какэлектрические датчики угловой скорости. В зависимости от вида выходногонапряжения их разделяют на тахогенераторы постоянного и переменного тока.
Тахогенераторы постоянного тока конструктивноподобны
электродвигателям постоянного тока и выполнены свозбуждением как от постоянных магнитов, так и от электромагнитов.
Тахогенераторы переменного тока разделяют насинхронные и асинхронные.
Тахогенератор синхронного типа представляетсобой небольшую синхронную машину с ротором в виде постоянного магнита. Выходноенапряжение такого тахогенератора имеет и амплитуду, и частоту, пропорциональныескорости вращения. Обычно оно выпрямляется полупроводниковым выпрямителем.
Выходное напряжение этого тахогенератора характеризуетсяпеременной частотой, что затрудняет использование его в обычных схемахпеременного тока, и, кроме того, тахогенератор нечувствителен к изменениюнаправления вращения.
От этих недостатков свободен асинхронный тахогенератор. Конструкцияасинхронного тахогенератора подобна конструкции двухфазного двигателя стонкостенным ротором. Обмотка возбуждения тахогенератора питается от сетипеременного тока, а в выходной обмотке наводится э. д. с. переменного тока с частотойсети и амплитудой, пропорциональными величине скорости. При изменениинаправления вращения фаза выходного напряжения меняется на обратную.
Термопары применяют для точного измерениявысоких температур (100-2000° С). Особенно широко их используют в металлургиидля контроля и автоматического регулирования большинства тепловых процессов. Крупнымипреимуществами термопар, помимо возможности измерения высоких температур,являются их сравнительно малая инерционность, простота и очень малые габаритыполучаемых датчиков.
Принцип действия термопары основан на термоэлектрическомэффекте, который заключается в том, что если соединить концами два разнородныхпо материалу проводникаи места соединений поместить в среды с разнымитемпературами, то в полученной таким образом электрической цепи появитсяэлектрический ток ввиду наличия термоэлектродвижущей силы (т. э. д. с). Эта т. э.д. с. пропорциональна по величине разности температур двух концов электрическойцепи и зависит от материалов обоих проводников
Термопары характеризуются следующими основными свойствами. Абсолютнаявеличина т. э. д. с. не зависит ни от распределения температур вдоль однородныхпроводников, ни от порядка ее отсчета. Это означает, что величина т. э. д. с. неизменится, если, например, нагревать какую-то произвольную точку проводника, неменяя при этом температур горячего и холодного спаев.Датчики тока
У датчиков тока изменение регулируемого параметра приводит кизменению тока через датчик. Основным типом таких датчиков являютсяфотоэлементы, хотя некоторые из них служат также датчиками напряжения.
Принцип работы фотоэлементов основан на изменении проводимостиили на возникновении э. д. с. под действием светового потока. В первом случаепроисходит изменение тока в цепи фотоэлемента, который питается от постороннегоисточника напряжения. Следовательно, фотоэлемент осуществляет преобразованиесветового потока в электрическую величину — ток. Это явление называют фотоэлектрическимэффектом.
К электродам фотоэлемента подводится анодное напряжение ототдельного источника. Благодаря световому потоку из катода вырываютсяэлектроны, которые под действием электрического поля движутся от катода к аноду.У некоторых фотоэлементов внутри колбы создается вакуум. Их называют вакуумными.Для усиления фототока в колбу фотоэлемента иногда вводят небольшое количествоинертного газа (аргона). Такие фотоэлементы называют газонаполненными. Возможностьзажигания самостоятельного разряда — существенный недостаток газонаполненногофотоэлемента.Свойства фотоэлементов определяются иххарактеристиками
Спектральной характеристикой фотоэлемента называется криваязависимости фототока от частоты (или длины волны) света при постояннойинтенсивности светового потока. Эта кривая характеризует распределениечувствительности по спектру излучения.
Для катодов фотоэлементов, предназначенных для видимой илиближней инфракрасной области, обычно используют щелочные металлы, поверхностькоторых была подвергнута специальной обработке. У этих катодов в определеннойспектральной области обнаруживается резкий максимум чувствительности.
Для газонаполненных фотоэлементов пропорциональнаязависимость фототока от светового потока справедлива для относительно небольшихзначений светового потока.
При использовании фотоэлементов для измерения весьма важноезначение имеет стабильность их интегральной и спектральной чувствительности. Какпоказывает опыт, чувствительность фотоэлементов понижается
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом или фотосопротивленияотносятся к полупроводниковым приборам — их сопротивление меняется поддействием света. Они обладают высокой стабильностью величины сопротивления,незначительной инерционностью и температурной зависимостью, а также почтипропорциональной зависимостью между фототоком и световым потоком.
В настоящее время наряду с рассмотренными фотоэлементами вкачестве датчиков тока начинают применять также фотодиоды и фототриоды, вкоторых используют чувствительность электронно-дырочного перехода вполупроводниках к световому потоку. Фотодиод включается в цепь источника тока внаправлении обратной проводимости. При отсутствии светового потока в цепинагрузочного сопротивления, включенного последовательно с фотодиодом, протекаетнебольшой ток обратной проводимости, так называемый темновой ток. Если зонаэлектронно-дырочного перехода освещается световым потоком, то ток возрастаетпропорционально величине светового потока. У фототриода за счет эффектаусиления чувствительность к световому потоку значительно выше, чем у фотодиода.Датчики АУС
В настоящее время промышленность выпускает комплексэлементов и устройств электронной и пневматической агрегатных унифицированныхсистем автоматического регулирования и контроля (АУС). Агрегатный принцип построениясистем и унификация входных и выходных параметров позволяют из сравнительнонебольшого числа стандартных блоков компоновать различные схемы автоматическогоконтроля и регулирования.
В электронной агрегатной унифицированной системе (ЭАУС) широкоприменяют датчики постоянного тока с унифицированным выходным сигналом 0-5 (или0,5 — 5) мА, а также датчики переменного тока с неунифицированнымвыходным сигналом. В пневматической агрегатной унифицированной системе частоиспользуют пневматические датчики, у которых выходное давление изменяется от 20до 100 кн/м2 (0,2-1 кГ/см2). Для связиэлектронных и пневматических устройств служат специальные электропневматическиеи пневмоэлектрические преобразователи.
В большинстве пневматических датчиков входной сигнал преобразуетсяв перемещение заслонки, которая управляет истечением воздуха из сопла, изменяядавление в камере, расположенной перед соплом. Принцип работы таких устройствописан ниже при рассмотрении пневматических усилителей, являющихся частосоставными элементами пневматических датчиков.Струнные датчики
Для измерения неэлектрических величин применяется и частотныйметод, при котором измеряемая величина преобразуется в переменноенапряжение, частота которого зависит от этой величины. Достоинством частотногометода измерения является то, что в процессе передачи и дальнейшей обработкичастотного выходного сигнала не возникает дополнительной погрешности.
Наибольшее развитие для преобразования неэлектрическихвеличин в частоту получили струнные датчики. Принцип действия струнного датчикаоснован на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны длиной имассойот силы натяжения. Струнные датчики используются в приборах дляизмерения силы, давления, расхода, температуры и др. При воздействии на струнуизмеряемой силы струна практически не растягивается, поэтому первичныйпреобразователь (например, мембрана в датчике давления) работает, почти недеформируясь.Магнитоупругие датчики
Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругомэффекте — физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитнойпроницаемости ферромагнитного материала в зависимости от механическихнапряжений в нем. Магнитоупругие датчики используются для измерения силовыхпараметров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, механическихнапряжений и т.п.