3. Физические основы измерительных преобразователей автоматических систем

Помимо управляемого объекта и управляющего устройства в автоматической системе функционально необходимы еще два типа элементов – измерительные и исполнительные устройства. В нашем вводном курсе мы не будем останавливаться на различных типах (электрических, гидравлических, пневматических) серводвигателей, усилителей, переключающих устройств и механизмов, передающих управляющие воздействия непосредственно на управляемый объект путем перемещения задвижек, клапанов, рулевых устройств и пр. или изменяющих, например, углы зажигания в тиристорных преобразователях питания электродвигателей.

Измерительные устройства и преобразователи – это органы чувств автоматической системы, поставляющие управляющему устройству информацию о значениях выходных координат и контролируемых возмущений – без них система будет слепой и глухой и не сможет выполнять своих функций. В кратком курсе нет возможности останавливаться на таких важных характеристиках измерительных устройств как чувствительность, точность, быстродействие, надежность, экономичность и пр. Мы рассмотрим только физические основы для преобразования некоторых величин в электрические сигналы – именно электрическая форма их представления наиболее приемлема для ввода в современные, как правило электронные, управляющие устройства.

3.1. Физика преобразователей температуры

Для измерения и преобразования сигнала температуры используются самые различные физические явления и эффекты.

Эффект температурного расширения металлов и сплавов обычно используется в регуляторах температуры бытовых приборов; чаще всего такой измеритель температуры имеет вид биметаллической пластинки из двух металлов с различными коэффициентами температурного расширения. При нагревании такая пластинка изгибается и к ней можно прикрепить либо контакт для подачи питания на нагреватель (как в утюге), либо преобразователь перемещения со шкалой для индикации температуры.

Эффект температурной зависимости удельного омического сопротивления металлов – промышленность выпускает медные (до 200 ^ºС) и платиновые (до 500 ^ºС) термометры сопротивления; они представляют собой проволоку, намотанную на металлический каркас и заключенную в защитный металлический трубчатый чехол. Для преобразования в сигнал электрического тока это сопротивление включается в мостовую схему.

Эффект различной работы выхода электронов у различных металлов и сплавов; для использования этого эффекта концы двух кусков проволоки из сплавов с различной работой выхода сваривают и помещают в место измерения температуры (горячий спай), а свободные неспаянные концы (холодный спай) – в место с постоянной температурой или в термостат. На свободных концах появляется термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур холодного и горячего спаев. Устройство называется термопарой; промышленность выпускает их из пар железо–никель, хромель–копель, хромель–алюмель, платина–платинородий в виде трубчатых металлических или огнеупорных чехлов с заключенными в керамические трубки электродами внутри.

Эффект излучения нагретых до высокой температуры тел используется для дистанционного измерения температур в радиационных пирометрах: радиационный поток фокусируется на батарее термопар или терморезисторов с помощью собирательных линз из стекла или кварца. Эффект излучения используется и в яркостных пирометрах – приборы сравнивают яркость исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (нагретая током плоская вольфрамовая нить) в узком участке спектра яркости. Этот же эффект используется в цветовых пирометрах, измеряющих отношения интенсивности излучения на двух или больше разных длинах волн из красной и синей областей спектра – их преимущество в независимости показаний от расстояния до объекта измерения и возможность измерения сверхвысоких температур в сотни тысяч градусов, а недостаток в сложности, обусловленной необходимостью для получения результата решать нелинейное уравнение, составленное по зависимости спектральной плотности излучения от температуры.