Дифференциальная чувствительность датчика:

.

Из вышеприведенного выражения следует, что на чувствительность датчика существенно влияет С₀, увеличение которой приводит к уменьшению чувствительности.

Для увеличения чувствительности датчик составляют из нескольких пластин, расположенных столбиком (рис. 10) и соединенных параллельно. В этом случае:

, (4)

где п – число пластин датчика. Из выражения (4) найдем

. (5)

Сравнивая выражения (4) и (5), можно сделать вывод, что использование в пьезоэлектрических датчиках нескольких пластин приводит к повышению чувствительности благодаря уменьшению влияния емкости С₀.

Среди электромашинных датчиков наиболее распространенными являются тахогенераторы постоянного и переменного тока. Они служат для получения напряжения, пропорционального частоте вращения, и используются как электрические датчики угловой скорости.

Тахогенераторы постоянного тока (рис. 11) выполняются с возбуждением от постоянного магнита (рис. 11а) или от внешнего источника постоянного тока (рис. 11б). ЭДС тахогенератора определяется выражением:

,

где k_е — коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря; Ф —поток возбуждения; — угловая скорость.

Рис. 11. Тахогенераторы

При постоянном потоке возбуждения (Ф = const) ЭДС Е зависит только от частоты вращения якоря. Чувствительность тахогенераторов:

составляет ~10 мВ/мин^-1. Характеристика тахогенератора Е = f(n) приведена на рисунке 11в. Видно, что с увеличением нагрузки R_н характеристика становится нелинейной и чувствительность уменьшается.

Фотоэлектрические датчики, реагирующие на изменение светового потока, в качестве чувствительного элемента содержат фотоэлементы различных типов. Фотоэлементами называют устройства, служащие для превращения энергии света в энергию электрического тока.

Фотоэлектрические датчики широко используются для измерения и контроля различных параметров производственных процессов — температуры, уровня жидкости, концентрации растворов прозрачности газовой среды, для учета, сортировки и отбраковки штучных изделий (деталей, коробок и т.п.), для контроля состояния поверхности тел в автоматических системах, для слежения за срезом детали при ее обработке по контуру и т.д.

Фотоэлементы по принципу их действия можно разделить на две группы. К первой группе относятся фотоэлементы, использующие явление внешнего фотоэффекта, когда под действием светового потока освободившиеся электроны покидают вещество, т.е. возникает электронная эмиссия. Такие приборы называются фотоэлементами с внешним фотоэффектом. Ко второй группе относятся фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. Это могут быть фотосопротивления, у которых под действием светового потока изменяется электрическая проводимость вещества, и фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы), у которых под действием светового потока возбуждается собственная ЭДС.

На рисунке 12а показано устройство фотоэлемента с внешним фотоэффектом (электровакуумный фотоэлемент). В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, в среде вакуума или инертного газа (чаще аргона) помещены два электрода — анод 1 и катод 2. Анод фотоэлемента представляет собой круглую пластину или кольцо, а катод наносится на внутреннюю поверхность стеклянного баллона фотоэлемента в виде тонкого светочувствительного слоя (обычно сурьмяно-цезиевого). Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом показана на рисунке 12б. В цепь анода включается источник постоянного напряжения (150—200 В) и сопротивление нагрузки R_н. При освещении фотоэлемента в анодной цепи возникает ток, создающий на сопротивлении нагрузки некоторое падение напряжения.

Рис. 12. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Количество электронов, испускаемых источником при фотоэффекте, прямо пропорционально световому потоку, падающему на поверхность металла. Следовательно, сила тока фотоэлектрической эмиссии

,

где Ф – световой поток, лм; k_ф — коэффициент пропорциональности.

Чувствительность фотоэлемента

измеряется в микроамперах на люмен. В газонаполненных сурьмяно-цезиевых фотоэлементах чувствительность может достигать 150–200 мкА/лм, тогда как в вакуумных приборах она составляет 20–30 мкА/лм.

На pисунке 12б приведены световые характеристики фотоэлемента с внешним фотоэффектом, показывающие зависимость сил тока фотоэлемента от сотового потока.

Фотосопротивления подставляют собой полупроводниковые фотоэлектрические приборы, в которых используется свойство полупроводников увеличивать свою электропроводность под действием света. Получая энергию от светового потока, электрон переходит в зону проводимости пропорционально энергии светового потока, не выходя за пределы полупроводника. Если к концам такого полупроводника приложить разность потенциалов, то сила протекающего в этой цепи тока будет зависеть от освещенности полупроводника. При этом в отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом фотосопротивление не обладает односторонней проводимостью, а одинаково проводит электричество в обоих направлениях.

Схема устройства фотосопротивления показана на рисунке 13а. На решетку из проводников 1 испарением в вакууме нанесен тонкий слой полупроводника 2. Наиболее светочувствительными полупроводниками являются селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый висмут и сернистый кадмий. Фотосопротивления монтируются в пластмассовом корпусе, снабженном штырьками для включения в схему. Для доступа света к светочувствительной поверхности в корпусе сделано окно.

Рис. 13. Фотосопротивление

При изменении освещенности решетки меняются электрическое сопротивление фотоэлемента и сила тока I_ф в цепи. У всех фотосопротивлений зависимость силы фототока I_ф от величины светового потока Ф при постоянном напряжении питания U имеет нелинейный характер и может быть представлена выражением

,

где 0 <п < 1.

Как видно из рисунка 13б, с увеличением освещенности чувствительность

падает, а наибольшую чувствительность такие фотоэлементы имеют при малых освещенностях. Однако чувствительность фотосопротивлений значительно больше, чем фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Недостатками фотосопротивлений являются нелинейность характеристики, инерционность, значительная температурная погрешность.

Фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы: принципиально отличаются от фотосопротивлений тем, что являясь генераторными датчиками, не требуют для своей работы внешнего источника питания. Благодаря энергии светового потока, в них создается ЭДС, которая используется для получения электрического тока в цепи нагрузки. Таким образом, в вентильных фотоэлементах происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем показана на рисунке 14а. Элемент состоит из тонкой полупрозрачной пленки золота 1, запирающего слоя 2, слоя полупроводника 3 и металлического электрода 4.

Рис. 14. Фотоэлемент с запирающим слоем

В качестве полупроводника используют закись меди, селен, сернистый таллий, кремний. Запирающий слой при соответствующей термической обработке образуется на границе полупроводника с золотом. Обладая односторонней проводимостью (детектирующим свойством), он не позволяет электронам, освободившим под действием светового потока, возвращаться обратно. Вследствие этого на контактных электродах (между пленкой золота 1 и электродом 4 появляется ЭДС. При замыкании фотоэлемента на сопротивление нагрузки в образующейся цепи пройдет ток, сила которого I_ф зависит от освещенности фотоэлемента.

Световые характеристики фотоэлемента с запирающим слоем при различных значениях сопротивления нагрузки R_н приведены на рисунке 14б. С увеличением R_н нарушается линейность зависимости I_ф = f(Ф) и уменьшается чувствительность фотоэлемента.

Лекция 7

УСИЛИТЕЛИ

Одним из основных элементов большинства автоматических систем контроля, управления и регулирования являются усилители. Необходимость применения усилителей в автоматических системах обусловлена, в частности, тем, что мощности выходного сигнала чувствительных элементов, несущих информацию об изменении производственных параметров, как правило, очень малы. Во многих случаях эта мощность равна 10^—4–10^-5 Вт. Естественно, что такой мощности недостаточно для приведения последующих элементов системы в действие.

В автоматических системах промышленности применяются электри-ческие, гидравлические и пневматические усилители. Так, они классифицируются по виду вспомогательной энергии, используемой для усиления входного сигнала. Кроме того, усилители различают по их выходной мощности (от десятков ватт до десятков киловатт), по коэффициенту усиления (от 10 до 10»), по принципу действия и конструкции.

Электрические усилители подразделяются на электронные (ламповые и полупроводниковые), тиратронные (или ионные), магнитные и электромагнитные.

Электронные усилители применяются тогда, когда требуемая выходная мощность не превышает 100–150 Вт. Большим достоинством электронных усилителей является высокая чувствительность на входе и практическая безынерционность. Это определяет их широкое применение в автоматических системах, где датчики имеют очень малую выходную мощность (измеряемую микроваттами). Электронные усилители имеют высокий коэффициент усиления, что достигается каскадным транзистором в полупроводниковых усилителях.

Различают коэффициент усиления по мощности и напряжению. Коэффициент усиления по мощности определяется как отношение мощности на выходе усилителя к мощности на его входе. Электронные усилители чаще используются как усилители напряжения. Коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле:

. (6)

Он может достигать 10⁷, что является большим достоинством электронных усилителей.

Измерительный, или инструментальный, усилитель — это устройство с дифференциальным входом. Усилитель строится так, что он усиливает только разность напряжений, поданных на его входы (U_вх2—U_вx1). Для большинства микросхем измерительных усилителей коэффициент усиления (передачи) по напряжению K_U находится между 1 и 1000.

U_вых=K_u (U_вх1-U_вх2).

Идеальный измерительный усилитель обладает следующими характеристиками: постоянный коэффициент усиления, не зависящий от времени, частоты и амплитуды входного сигнала, сопротивления нагрузки, температуры и влажности; бесконечный коэффициент подавления синфазного напряжения и изменений напряжения питания; нулевые входное и выходное напряжения смещения и дрейфы этих смещений, а также нулевой выходной импеданс при любых амплитудах сигнала, отдаваемого усилителем в нагрузку.

Обычно инструментальный усилитель служит первым каскадом измерительной или преобразовательной схемы, где основным требованием является точность. Во многих случаях входной сигнал подается на измерительный усилитель с мостовой схемы или датчика, преобразующих неэлектрическую величину в аналоговый электрический сигнал. Основные проблемы, которые приходится решать разработчику при усилении этого сигнала для обработки последующими каскадами, связаны с подавлением шумов и нестабильностью коэффициента усиления при воздействии внешних факторов.

Недостатком электронных усилителей является небольшая выходная мощность, сравнительно низкая надежность, высокая чувствительность к вибрациям.

В случае, когда требуется получить на выходе мощность, превышающую 100–150 Вт, используют тиратронные усилители, основным элементом которых является тиратрон (трехэлектродная газонаполненная лампа), питаемый переменным током. В нем в результате ионизации молекул газа (аргона, неона), происходящей в результате их столкновения с движущимися под действием потенциала анода электронами, сила тока может достичь нескольких ампер. Коэффициент усиления по мощности такого усилителя равен 10⁶, а выходная мощность достигает 2–3 кВт.

Схемы электронных и тиратронных усилителей подробно были рассмотрены при изучении курса «Электротехника и электроника».

Широкое применение в схемах автоматики находят магнитные усилители (МУ). Они просты по конструкции и надежны в эксплуатации. На рисунке 15а показана схема простейшего дроссельного однофазного магнитного усилителя.

Принцип действия такого усилителя мощности основан на зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от силы подмагничивающего постоянного тока. Таким образом, входной величиной магнитного усилителя является ток силой i_y, протекающий по обмотке подмагничивания W₁, а выходной – переменный ток силой I_н в нагрузке R_н и обмотках W₂ и W₃.

Обмотки переменного тока W₂ и W₃ намотаны так, что направления магнитных потоков Ф во внутренних сердечниках противоположны. Благодаря этому ЭДС, индуктированные в обмотке, взаимно компенсируются.

Сила тока нагрузки I_н определяется по формуле:

(7)

где U — напряжение цепи переменного тока; R — активное сопротивление цепи переменного тока, равное сумме активных сопротивлений обмоток W₂ и W₃ и нагрузки R_н; L — сумма реактивных сопротивлений обмоток W₂ и W_3.

Рис. 15. Дроссельный магнитный усилитель

С увеличением силы тока i_y, уменьшается динамическая магнитная проницаемость μ, что приводит к уменьшению L =f(μ). В результате сила тока I_н возрастает. Зависимость силы тока I_н от силы постоянного тока i_y приведена на рисунке 15б.

Чтобы обеспечить работу магнитного усилителя на линейном и наиболее крутом участке характеристики I_н=f(i_y), вводят дополнительно вспомогательную обмотку постоянного подмагничивания, через которую протекает постоянный ток силой i_o. В этом случае сила тока i_y в обмотке управления W₁ изменяется в пределах ±Δi_y, а точка М является рабочей точкой характеристики I_н=f(i_y).

Коэффициент усиления магнитного усилителя по мощности можно определить по формуле:

При малой мощности на входе Р_у можно получить значительное увеличение мощности Р_н на выходе. Коэффициент усиления по мощности некоторых магнитных усилителей может достигать величины 10⁴ и более.

К недостаткам магнитных усилителей относятся: сложность получения большого входного сопротивления, чувствительность к изменению температуры среды, большие габариты и масса, большая, чем у электронных усилителей, инерционность.

В тех случаях, когда на выходе требуется получить значительную мощность постоянного тока, которую трудно обеспечить электронными или магнитными усилителями, используются электромашинные усилители (ЭМУ). Чаще всего такие усилители применяют в схемах управления электродвигателем постоянного тока, когда требуется плавное изменение частоты вращения.

На рисунке 16 показана схема простейшего электромашинного усилителя с независимым возбуждением. Он состоит из вспомогательного электродвигателя 1 и генератора 2 с обмоткой возбуждения 3. К генератору подключен электродвигатель постоянного тока 4.

Рис. 16. Электромашинный усилитель

Входной величиной электромашинного усилителя в данном случае является управляющее напряжение U_y на зажимах обмотки возбуждения 3, а выходной — напряжение U₁. При U = const угловая скорость w₂ электродвигателя 4 будет пропорциональна напряжению U₁ на зажимах якоря.

Так как при постоянной величине угловой скорости w₁, выходное напряжение генератора U₁ пропорционально магнитному потоку Ф₁ обмотки возбуждения 3, то, изменяя напряжение U_y, можно управлять выходным напряжением U_y генератора и угловой скоростью w₂ электродвигателя.

Коэффициент усиления по мощности определяется по формуле

где i_як и i_y — сила тока соответственно на выходе и входе электромашинного усилителя. Для усилителя рассмотренного типа k_p= 20–100.

Наряду с описанным простейшим усилителей в системе управления широко применяют более совершенные усилители с поперечным полем (рис. 17). Здесь, так же как и в предыдущем случае, усилитель представляет собой генератор постоянного тока, вращаемый вспомогательным электродвигателем. Однако в данном случае магнитная система генератора отличается от обычной увеличенной шириной полюсов, а схема включения якоря — наличием двух пар щеток, расположенных под углом 90^о одна к другой (вместо одной пары в обычных генераторах).

Рис. 17. Электромашинный усилитель с поперечным полем

На полюсах генератора располагаются витки управляющей обмотки W_y, в которую подается управляющий ток I_у — входная величина электромашинного усилителя. В результате действия магнитодвижущей силы (МДС) I_yW_y по продольной оси создается поток Фd. В поперечной цепи якоря под действием этого потока наводится ЭДС поперечной цепи. Поперечная пара щеток Щ₁ и Щ₂ замкнута накоротко. Таким образом, даже небольшая ЭДС вызывает появление в поперечной цепи значительного по силе тока. Этот ток, протекая по проводникам якоря, создает мощный поперечный магнитный поток Фq, который замыкается через широкие края полюсных башмаков. В продольной цепи якоря, вращающегося в созданном им самим поперечном поле, наводится ЭДС продольной цепи, снимаемая со щеток Щ₃ и Щ₄ продольной цепи на нагрузку.

Эффект усиления обусловлен тем, что поперечный поток Фq оказывается значительно большим, чем вызвавший его продольный поток Фd.

В усилителях с поперечным полем на главных полюсах располагается компенсационная обмотка W_к, которая компенсирует размагничивающее действие тока нагрузки I_н.

Коэффициент усиления по мощности усилителей с поперечным полем составляет около 3∙10³, а их мощность может быть от десятков ватт до десятков киловатт. Для уменьшения габарита и массы электромашинный усилитель и вспомогательный двигатель конструктивно объединяются в одном агрегате.

Гидравлические и пневматические усилители, используемые в системах автоматики для усиления сигналов по мощности, аналогичны по своей конструкции и принципу действия. Их можно разделить на две основные группы — дроссельные и струйные.

В качестве примера дроссельного усилителя можно назвать усилитель типа сопло—заслонка, схема которого приведена на рисунке 18. Сжатый воздух с давлением p_l дросселируется до давления р₂ с помощью двух дросселей 1 и 2. В результате перемещения заслонки 3 относительно сопла меняется воздушный зазор h, а следовательно, и пневмосопротивление. В полости между дросселями устанавливается давление р₂, которое действует в данном случае на поршень 6 исполнительного элемента. Поршень будет перемещаться в цилиндре 4 до тех пор, пока не наступит равновесие между силой, с которой сжатый воздух давит на поршень, и упругими силами пружины 5. При этом усилие, развиваемое вдоль штока поршня, значительно превышает усилие, вырабатываемое датчиком и необходимое для перемещения заслонки. Коэффициент усиления по мощности некоторых пневматических дроссельных усилителей достигает 10⁵—10⁷.

Схема, поясняющая принцип действия струйного гидравлического усилителя, приведена на рисунке 19.

Рис. 18. Усилитель типа сопло—заслонка	Рис. 19. Струйный усилитель

Основным элементом струйного усилителя является струйная трубка 3 с противовесом 1. Насосная установка подает масло через маслопровод 6 в струйную трубку. Перед соплом струйной трубки размещена плита 4 с приемными соплами. Усилием от датчика, приложенным к упору 2, трубка поворачивается вокруг оси 5. Если сопло струйной трубки расположено посередине между приемными соплами, то давление в них одинаково и разность давлений р₁—p₂, действующая на поршень исполнительного элемента, равна нулю. При отклонении струйной трубки от среднего положения давление в одном из приемных сопел возрастет, а в другом упадет. Знак разности р₁—р₂ зависит от направления отклонения трубки.

Для перемещения сопла струйной трубки из одного крайнего положения в другое (обычно 1—2 мм) необходимо усилие около 10^-1 Н. При этом на штоке поршня усилие меняется на 10³ Н. Коэффициент усиления по мощности усилителей такого типа достигает 10⁴.

Гидравлические и пневматические усилители, выпускаемые серийно, могут быть однокаскадными и двухкаскадными. В последнее время в автоматических системах регулирования начали применять пневмогидравлические усилители, у которых первым каскадом усиления является пневматический элемент, а вторым — гидравлический.

Лекция 8

РЕЛЕ

Реле называются элементы дискретного действия, в которых непрерывное изменение входной величины при достижении определенного значения приводит к скачкообразному изменению выходной величины. Такие элементы могут быть электрическими, гидравлическими, пневматическими и комбинированными. В легкой промышленности для целей управления, контроля (сигнализации) и регулирования наиболее широко используются электрические реле различных типов, в частности электромеханические реле.

В схемах автоматики находят применение следующие электромеханические реле: электромагнитные (постоянного и переменного тока); магнитоэлектрические; электродинамические; индуктивные; электротермические.

Электромагнитные реле являются наиболее распространенными.

Электромагнитное нейтральное реле содержит неподвижный сердечник с обмоткой и два якоря — подвижный и неподвижный. Когда протекающий по обмотке ток (постоянный или переменный) достигает определенной силы, якорь перемещается и замыкает или размыкает контакты. Конструктивные формы электромагнитных нейтральных реле чрезвычайно разнообразны. Наиболее распространенными являются реле с поворотным якорем. На рисунке 20а показана одна из конструкций реле с клапанным якорем. Магнитную цепь реле составляют сердечник 2, корпус 4 и якорь 3. При возбуждении катушки 1 якорь, повернувшись вокруг опорной грани корпуса, притягивается к торцу сердечника. При повороте якоря происходит замыкание и размыкание контактов 5 управляющей цепи. При обесточивании катушки якорь возвращается в исходное положение.

Рис. 20. Электромагнитные реле

На рисунке 20б показано реле с втяжным якорем 7. В цилиндрическом корпусе 6 располагается катушка 1, при возбуждении которой якорь втягивается и, подняв контактную перемычку 8, замыкает контакты 5. При отключении тока якорь опускается на упоры 9.

Особым типом электромагнитных реле являются так называемые герконы — язычковые реле, или магнитоуправляемые контакты (рис. 21).

Рис. 21. Геркон

Наполненная инертным газом герметизированная стеклянная ампула 1 с контактными пружинами 2 помещена внутри цилиндрической катушки 3. При пропускании тока по катушке контактные пружины притягиваются друг к другу и замыкают управляющую цепь. Эти реле отличаются высокой надежностью и малыми размерами, частота срабатывания может достигать сотен герц. Диаметр ампулы реле равен 5 мм, а ее длина 20 мм. Срок их службы достигает 10⁸—10¹² циклов, тогда как у реле, рассмотренных выше, он составляет 10⁶ циклов.

Поляризованные реле (рис. 22), кроме подвижного якоря 3 и управляющей обмотки 2, содержат постоянный магнит 1, который поляризует реле, т.е. делает его чувствительным к направлению тока.

Рис. 22. Поляризованное реле

Если ток в управляющей обмотке отсутствует, то якорь находится в среднем, нейтральном, положении, т.к. он с одинаковой силой притягивается как к левому, так и к правому положительному наконечнику. В этом положении контакты 5 разомкнуты. Для устойчивости нейтрального положения якоря предназначена пружина, удерживающая его в этом положении при отсутствии тока в обмотке. При появлении тока в управляющей обмотке магнитный поток в одной части магнитопровода складывается с потоком от постоянного магнита (обозначен сплошной линией), а в другой части действует разность этих потоков. В итоге якорь притягивается влево или вправо, в зависимости от направления тока. Дополнительный магнитный поток показан штриховой линией. Реле регулируется с помощью контактных винтов 4 и 6.

Поляризованные реле рассматриваемой конструкции являются трехпозиционными (замкнут левый контакт — оба контакта разомкнуты — замкнут правый контакт).

Поляризованные реле обладают высокой чувствительностью, что определяет их широкое применение в маломощных устройствах автоматики. Мощность, достаточная для срабатывания таких реле, составляет всего 10^-4—10^-5 Вт.

Очень высокой чувствительностью обладают магнитоэлектрические реле, основанные на взаимодействии между магнитным полем и током, протекающим по проводнику, помещенному в это поле (рис. 23).

Магнитный поток создается постоянным магнитом 4. Между полюсами постоянного магнита помещена рамка 3, представляющая собой проводник, намотанный на легкий каркас. При пропускании тока через рамку она поворачивается вокруг оси и с помощью рычага 2 замыкает или размыкает контакты 1 или 5, в зависимости от направления тока. При отключении тока рычаг под действием пружины возвращается в среднее положение.

Рис. 23. Магнитоэлектрическое реле

Мощность срабатывания таких реле очень мала и может быть равна 10^-4—10^-10 Вт. Управляемая мощность составляет не более 2 Вт, т.к. создаваемое на контактах давление невелико.

Кроме рассмотренных, в различных отраслях промышленности используются оптические, тепловые, механические и другие реле.

Реле можно рассматривать как усилитель. Мощность срабатывания реле Р_ср значительно меньше, чем управляемая мощность Р_у. Отношение управляемой мощности к мощности срабатывания называют коэффициентом усиления реле по мощности. Он равен:

k_p = Р_у/Р_ср.

Коэффициент усиления по мощности электромагнитных нейтральных реле может достигать 10²—10⁶.

Одной из важнейших характеристик реле, имеющей большое значение для работы систем автоматики, является его временная характеристика. Время от момента включения реле до момента замыкания (или размыкания) его контактов называется временем срабатывания t_cp, а время от момента отключения реле до момента размыкания (или замыкания) его контактов — временем отпускания реле t_oтп.

Эти показатели характеризуют быстродействие реле. Для нейтральных электромагнитных реле время срабатывания и отпускания составляет 10^-3—2∙10^-1 с.

В автоматике иногда требуется замедление работы реле. Это достигается применением специальных устройств (электрических или механических), увеличивающих время срабатывания или отпускания.

Электромагнитные реле, применяемые для управления сравнительно мощными цепями тока (силовыми цепями), называют контакторами.

Лекция 9

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Исполнительные элементы в автоматических системах управления предназначены для осуществления воздействия на объект управления. В большинстве случаев управляющее воздействие заключается в изменении потока энергии или количества вещества, поступающего в управляемый объект. При этом исполнительный элемент может быть усилителем. Регулирующими органами исполнительного элемента являются клапан, шибер, направляющая лопатка, устройства для подачи инструмента или для зажима обрабатываемой детали (например, заготовки обуви), тормозные устройства и т.д.

По виду используемой энергии эти элементы подразделяются на электрические, пневматические и гидравлические. Применяются также комбинированные исполнительные элементы, например электрогидравлические. Выбор исполнительного элемента, использующего тот или иной вид энергии, обусловливается многими факторами, среди которых основными являются: категория пожаро- и взрывоопасности производства; состояние окружающей среды (температура, влажность и загрязненность окружающего воздуха в месте установки исполнительного элемента); усилие, необходимое для перемещения регулирующего органа (например, клапана), а также требования к динамическим свойствам исполнительного элемента, который, например, в автоматической системе регулирования значительную часть времени работает в переходных режимах. Поэтому от исполнительных элементов требуется высокая чувствительность и малая инерционность.

Электрические исполнительные элементы переменного и постоянного тока могут быть электромагнитными и электродвигательными. Схема устройства простейшего электромагнитного (соленоидного) вентиля приведена на рисунке 24. Такие исполнительные элементы используются для регулирования потока жидкости или пара. При возбуждении катушки электромагнита 1 шток 2 втягивается и открывает игольчатый клапан 3, золотник 4 перемещается, что обеспечивает доступ жидкости или пара на объект. После отключения тока вентиль закрывается.

Таким образом, в данном случае существует только два положения (две позиции) вентиля — или он полностью открыт, или полностью закрыт. В связи с возникновением явления гидравлического удара такие исполнительные элементы используются на трубопроводах с небольшими условными проходами (d < 100 мм).

На рисунке 25 показана упрощенная схема одной из многих конструкций фрикционных электромагнитных муфт, предназначенных для включения и отключения механических передач.

Рис. 24. Электромагнитный соленоидный клапан

Рис. 25. Фрикционная электромагнитная муфта

На ведущем валу 9 установлен электромагнит 7 с обмоткой возбуждения 6. Контактные кольца 8 и щетки 10 служат для подвода тока к обмотке, которая вращается вместе с валом. На ведомом валу 1 расположен якорь 4, который перемещается по шпонке 2. При возбуждении обмотки якорь притягивается к электромагниту и прижимается к шайбе 5. Благодаря значительной силе трения вращение с ведущего вала передается на ведомый. При отключении обмотки возбуждения пружина 3 возвращает якорь в исходное положение. Трущиеся поверхности изготовляются из материалов с большим коэффициентом трения.

На рисунке 26 показана упрощенная схема муфты с ферромагнитным наполнителем (порошковой муфты). Эти муфты в последнее время получают все более широкое распространение благодаря способности плавно изменять передаваемый вращающий момент и частоту вращения ведомого вала.

Рис. 26. Порошковая муфта

На ведомом валу 6 укреплен электромагнит 4 с обмоткой возбуждения 3. Контактные кольца 5 и щетки 7 служат для подвода тока к обмотке. На ведущем валу 1 укреплен полый цилиндр 2. Вся полость внутри муфты заполняется порошкообразным ферромагнитным наполнителем.

В качестве ферромагнитного наполнителя применяются сухие или полужидкие смеси, состоящие из зерен ферромагнитного материала (размером от 4 до 50 мк), смешанных с трансформаторным маслом или графитом. При отсутствии тока в обмотке возбуждения передаваемый муфтой момент очень мал, т.к. его величина определяется только вязким трением ферромагнитного наполнителя. При возбуждении электромагнита ферромагнитные зерна устанавливаются вдоль силовых линий, образуя мостики, связывающие ведущую и ведомую части муфты, и заставляя их двигаться совместно.

В электродвигательных исполнительных элементах приводом регулирующего органа являются электрические двигатели переменного и постоянного тока различных типов. В промышленности для этих целей широко используются исполнительные механизмы ДР и ПР. Устройство исполнительного механизма типа ДР показано на рисунке 27.

Рис. 27. Исполнительный механизм ДР

Однофазный электродвигатель переменного тока 3 (напряжение 220 В, мощность 60 Вт) через редуктор 2, состоящий из шести пар сменных зубчатых колес, приводит во вращение выходной вал 1, сочлененный с регулирующим органом. Кроме выходного вала, имеется шток 4, перемещающийся возвратно-поступательно. Шток также может соединяться с регулирующим органом. Частота вращения выходного вала ступенчато меняется в широких пределах при смене зубчатых колес редуктора.

Внутри корпуса исполнительного механизма типа ДР располагается специальное устройство, обеспечивающее останов регулирующего органа в крайних положениях (например, верхнем или нижнем) после поворота выходного вала на угол 180°.

Исполнительный механизм ПР содержит два однофазных электродвигателя 1 (рис. 28), роторы которых жестко посажены на общем валу, а статоры смонтированы так, что их магнитные поля вращаются в противоположных направлениях.

Таким образом, имеется возможность реверсирования вращения выходного вала в зависимости от того, какой статор подключен к цепи питания. В корпусе исполнительного механизма имеются концевые выключатели 2 и реостат, который используется как датчик обратной связи по положению регулирующего органа или как датчик указателя угла поворота выходного вала. Угол поворота выходного вала можно изменять от 0 до 180° путем настройки концевых выключателей. В исполнительных механизмах ПР-М установлен двухфазный реверсивный двигатель.

Рис. 28. Исполнительный механизм ПР

На рисунке 29 изображен исполнительный механизм, который состоит из червячного редуктора 1, штурвала 3, короткозамкнутого трехфазного электродвигателя 2, рычага соединения исполнительного механизма с регулирующим органом 6, колонки дистанционного управления (КДУ) 5 и индукционного датчика 4. Такие исполнительные механизмы развивают на выходном валу вращающий момент до 1000 Н∙м. Для сравнения укажем, что вращающий момент на выходном валу исполнительных механизмов ДР и ПР составляет 10 Н∙м.

Рис. 29. Исполнительный механизм с колонкой

дистанционного управления

На рисунке 30 показана КДУ (со снятой крышкой). В ней установлены потенциометр указания положения регулирующего органа 1, индуктивный датчик 3, концевые выключатели 4. Все электрические соединения выведены на клеммную сборку 2. Плунжер индуктивного датчика и движок потенциометра указателя положения связаны рычажной передачей с тягой 5, положение которой определяется углом поворота выходного вала исполнительного механизма. Указатель положения представляет собой стрелочный прибор постоянного тока со шкалой, деления которой даны в процентах максимального перемещения регулирующего органа.

Рис. 30. Колонка дистанционного управления

В последние годы начали широко использоваться бесконтактные исполнительные механизмы (БИМ). В таких исполнительных механизмах реализуется схема бесконтактного управления электродвигателем через дроссели насыщения или магнитные усилители. Обмотки переменного тока дросселя включаются между датчиками двигателя и источником питания. При изменении силы тока в подмагничивающей обмотке дросселя изменяется полное сопротивление обмоток переменного тока, что создает возможность регулирования напряжения на входе электродвигателя. В пневматических исполнительных элементах усилие, необходимое для перестановки регулирующего органа, создается путем давления сжатого воздуха на мембрану или поршень. Соответственно различаются мембранные и поршневые пневматические исполнительные элементы, которые могут быть пружинными и беспружинными. В пружинных устройствах давление сжатого воздуха подводится к одной рабочей полости, и перестановочное усилие в одном направлении создается силой давления сжатого воздуха, а в обратном направлении — упругими силами сжатой пружины. В этом случае значительная часть усилия тратится на сжатие пружины. От этого недостатка свободны беспружинные исполнительные элементы, у которых перестановочное усилие в противоположных направлениях создается действием давления с обеих сторон мембраны или поршня. В этом случае давление, с одной стороны, возрастает, а с другой – уменьшается.

Прямолинейные мембранные и поршневые исполнительные элементы, дополненные рычажной передачей, обеспечивают поворотное перемещение регулирующего органа (например, заслонки в трубопроводе).

На рисунке 31 показана конструкция пружинного мембранного клапана, устанавливаемого на трубопроводе с малыми расходами вещества. Эластичная мембрана из прорезиненной ткани 1, зажатая между двумя крышками, плотно прилегает к металлическому диску (грибку) 2, который является жестким центром мембраны и связан со штоком 3. На конце штока 3 располагается односедельный клапан 4. Цилиндрическая пружина 5 опирается на регулировочную гайку 6, с помощью которой регулируется степень предварительного сжатия пружины 5.

Рис. 31. Мембранный клапан

Через отверстие в верхней крышке в рабочую полость (камеру) под мембраной поступает сжатый воздух (обычно от пневматического усилителя или управляющего устройства). Полость под мембраной сообщается с атмосферой. Таким образом, изменение давления воздуха, поступающего в рабочую полость над мембраной, преобразуется в изменение усилия, сжимающего пружину, а затем в перемещение штока 3 рабочего органа —клапана 4. Перемещение рабочего органа прекратится, когда упругое противодействие пружины станет равным силе, действующей со стороны мембраны. Эта сила равна произведению избыточного давления на эффективную площадь мембраны.

Гидравлические исполнительные элементы чаще всего бывают поршневого типа, однако при небольших давлениях рабочей жидкости и небольшой длине хода рабочего органа могут применяться и мембранные гидравлические исполнительные элементы. Обычно гидравлические поршневые исполнительные элементы применяются при давлении рабочей жидкости в диапазоне 2,5∙10⁶—2∙10⁷ Па, поэтому они могут развивать большие перестановочные усилия при небольших размерах. Как правило, гидравлические поршневые элементы не имеют возвратных пружин, а перемещение поршня в обоих направлениях осуществляется благодаря давлению жидкости.

На рисунке 32 показана схема действия гидравлического поршневого исполнительного механизма двухстороннего действия с золотниковым управлением. Масло по трубопроводу 4 под давлением р₀ (давление создается шестеренным насосом) подается в цилиндрический золотник 5. Золотник представляет собой цилиндр с расположенным внутри него двойным поршнем 2. В нейтральном положении, изображенном на рисунке, он закрывает оба окна m и n, через которые по соединительным каналам 1 масло может поступать в рабочий цилиндр 7.

Рис. 32. Поршневой исполнительный механизм

Если поршень золотника переместить вверх от нейтрального положения, то масло начнет поступать в полость рабочего цилиндра, расположенную над поршнем 6, и последний благодаря разности давлений (р₂ > p₁) будет перемещаться вниз. Масло из-под поршня будет сливаться через сливную трубку 3. При перемещении поршня золотника вниз поршень будет двигаться в обратном направлении. Шток поршня 6 перемещает регулирующий орган, например клапан на трубопроводе.

Перестановочное усилие, необходимое для перемещения поршня золотника, составляет обычно 10—50 Н, а для малых моделей — всего 0,2—5 Н. При этом вдоль штока поршня рабочего цилиндра могут развиваться усилия в 103 раза большие. Таким образом, рассмотренный гидравлический исполнительный элемент является также гидравлическим усилителем силы и мощности.

На рисунке 33 показана одна из возможных конструкций рабочего цилиндра гидравлического поршневого исполнительного элемента. В полость цилиндра масло поступает через штуцера 5 и 2. На выходе из цилиндра шток 3 поршня 4 имеет вилку 1 для соединения с регулирующим органом.

Рис. 33. Рабочий цилиндр гидравлического поршневого

исполнительного элемента

На рисунке 34 приведена конструкция кривошипного гидравлического привода исполнительного элемента. В рабочем цилиндре 1 находится поршень 2. С помощью шатуна 3 палец поршня соединен с кривошипом 5, который сидит на выходном валу 4. На наружном конце выходного вала крепится рычаг 6, который обеспечивает перемещение регулирующего органа. Масло в рабочую полость гидравлического привода подается через штуцера 7 и 8.

Рис. 34. Кривошипный гидравлический привод

Лекция 10

ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

Фильтрацией в широком смысле называется любое преобразование обрабатываемых сигналов с целью изменения соотношения между их различными компонентами. Такое преобразование может быть как линейным, так и нелинейным.

Фильтры — это частотно-избирательные устройства, которые пропускают или задерживают сигналы, лежащие в определенных полосах частот. До 60-х годов для реализации фильтров применялись, в основном, пассивные элементы, т.е. индуктивности, конденсаторы и резисторы. Основной проблемой при реализации таких фильтров оказывается размер катушек индуктивности (на низких частотах они становятся слишком громоздкими). С разработкой в 60-х годах интегральных операционных усилителей (ОУ) появилось новое направление проектирования активных фильтров на базе ОУ. В активных фильтрах применяются резисторы, конденсаторы и усилители (активные компоненты), но в них нет катушек индуктивности. В дальнейшем активные фильтры почти полностью заменили пассивные. Сейчас пассивные фильтры применяются только на высоких частотах (выше 1 МГц), за пределами частотного диапазона большинства ОУ широкого применения. Но даже во многих высокочастотных устройствах, например в радиопередатчиках и приемниках, традиционные пассивные LCR-фильтры заменяются кварцевыми фильтрами и фильтрами на поверхностных акустических волнах.

Сейчас во многих случаях аналоговые фильтры заменяются цифровыми. Работа цифровых фильтров обеспечивается, в основном, программными средствами, поэтому они оказываются значительно более гибкими в применении по сравнению с аналоговыми. С помощью цифровых фильтров можно реализовать такие передаточные функции, которые очень трудно получить обычными методами. Тем не менее, цифровые фильтры пока не могут заменить аналоговые во всех ситуациях, поэтому сохраняется потребность в наиболее популярных аналоговых фильтрах — активных RC-фильтрах.

Фильтры можно классифицировать по их частотным характеристикам, что в условном виде показано на рисунке 35. На этом рисунке изображены характеристики фильтра нижних частот (ФНЧ), фильтра верхних частот (ФВЧ), полосового фильтра (ПФ), полосно-подавляющего фильтра (ППФ) и фильтра-«пробки» (режекторного фильтра — РФ). Характеристика фазового фильтра (ФФ) на рисунке не показана, т.к. его коэффициент передачи не изменяется с частотой. Основная функция любого фильтра заключается в том, чтобы ослабить сигналы, лежащие в определенных полосах частот, внести в них различные фазовые сдвиги или ввести временную задержку между входным и выходным сигналами.

Рис. 35. Основные типы фильтров

С помощью активных RC-фильтров нельзя получить идеальные формы частотных характеристик в виде показанных на рисунке 35 прямоугольников со строго постоянным коэффициентом передачи в полосе пропускания, бесконечным ослаблением в полосе подавления и бесконечной крутизной спада при переходе от полосы пропускания к полосе подавления. Проектирование фильтра сводится к выбору схемы с наиболее подходящей конфигурацией и последующему расчету значений номиналов элементов для конкретных частот.

Пример реализации фильтра ФНЧ первого порядка приведен на рисунке 36. Коэффициент передачи в полосе пропускания: К= -R1/R2.

Рис. 36. Пример реализации ФНЧ первого порядка