Завдання №1

Опишіть основні функції та принцип дії перетворювачів – генеруючого типу.

Генераторні датчики

До групи генераторних датчиків можна віднести перетворювачі різних видів енергії в електричну. Найбільше застосування в якості датчиків знаходять індукційні, термоелектричні і п'єзоелектричні перетворювачі.

Індукційні датчики

Принцип дії індукційних датчиків заснований на законі електромагнітної індукції, що дає можливість безпосереднього перетворення вхідних вимірюваної величини в ЕРС без джерела додаткової енергії. До цих датчиків належать тахогенератори постійного і змінного струму, що представляють собою невеликі електромашинні генератори, у яких вихідна напруга пропорційна кутовий швидкості обертання вала генератора. Тахогенератори використовуються як датчики кутової швидкості.

Тахогенератори постійного струму бувають двох типів: з порушенням від постійних магнітів і з електромагнітним збудженням від незалежного джерела постійного струму. Так як індукційна електрорушійна сила пропорційна не тільки швидкості обертання, але і магнітному потоку то основною вимогою до тахогенератора є сталість магнітного потоку.

Тахогенератори змінного струму також бувають двох типів: синхронні і асинхронні:

Синхронні тахогенератори мають просту конструкцію і складаються з статора (зовнішньої обмотки) і ротора, виконаного у вигляді постійного магніту з кількома полюсами (рис.1 ). При обертанні ротора в статорі індукується ЕРС.

рис.1

Отже, зі зміною швидкості обертання разом з ЕРС змінюється і частота. Це створює незручність при використанні такого датчика в автоматичних пристроях з індуктивністю і ємністю, так як при зміні швидкості обертання будуть змінюватися параметри.

Конструктивно асинхронний тахогенератор є асинхронний двофазний двигун з порожнистим ротором. Дві обмотки статора зрушені на 90 ° і до однієї з них підводиться постійна по амплітуді і частоті напруга збудження, що створює магнітний потік Фі (рис.2).

рис.2

Цей потік ніякого впливу на другу обмотку при нерухомому роторі не надає, так як перпендикулярний її магнітної осі, тому при нерухомому роторі Друга обмотка ніякої напруги створювати не буде. Але якщо ротор почне обертатися, то його стінки буде перетинати потік Фі і в них з'являться струми, що створюють магнітний потік Ф2, вже направлений по магнітної осі другої котушки. Так як потік Ф1 змінюється по синусоїді, то і потік Ф2 буде теж синусоїдальним і буде наводити внаслідок цього у другій обмотці индуктированная ЕРС. Від швидкості обертання залежить тільки потік Ф2, створюваний струмом в роторі, який залежить від потоку Ф1 і частоти обертання n. Так як потік Ф1 прямо пропорційний напрузі збудження, підтримуваного постійним, то індукована в другій обмотці електрорушійна сила прямо пропорційна швидкості обертання ротора.

Термоелектричні датчики призначені для вимірювання температури. Вони складаються з двох термоелектродів 1 і 2, виготовляються з різнорідних провідників (рис. 3).

рис. 3

Одні кінці цих провідників зварені (спаяні), а два інших служать виходом датчика, звідки знімається вихідна напруга. Точка спаю термоелектродів поміщається в область контрольованої температури. Якщо температура вільних «холодних» кінців термопари t відрізняється від температури гарячого спаю то в силу термоелектричного ефекту в термоелектродах виникає термо-ЕРС пропорційна різниці температур. Це можна пояснити тим, що енергія вільних електронів в різних металах по-різному зростає зі зростанням температури. Якщо вздовж провідника існує перепад температури, то електрони на гарячому кінці набувають більш високі енергії і швидкості, ніж на холодному; завдяки цьому виникає рух електронів від гарячого кінця до холодного, різний в різних металах. При наявності замкнутої ланцюга різне рух електронів створює струм, який можна трактувати як результат виникнення термоелектродвіжущей сили в гарячому спае. За рахунок цієї ЕРС з'являється вихідна напруга. Виникнення термо-ЕРС дозволяє термопару (термоелемент) називати датчиком-генератором.

П'єзоелектричні датчики

Вони застосовуються для отримання електричних зарядів, що утворюються на поверхні деяких кристалів при їх стисненні. Ці датчики найчастіше виготовляють з кварцу. Такий датчик являє собою кварцову пластину, на одній із сторін якої напилити (або приклеєні струмопровідним клеєм) електроди, до яких припаюються виводу. При стисненні кварцовою пластини силою Р на її протилежних поверхнях, а отже, і на електродах в силу прямого п'єзоелектричного ефекту виникають електричні заряди. Величина заряду пропорційна стискаючої силі Р, тобто при змінюється силі Р з'являється вихідна напруга.

П'єзоелектричні використовуються для вимірювання сил, тиску, вібрації і для інших вимірів, в яких прямо чи опосередковано виявляються силові дії. Вихідна напруга п'єзоелектричних датчиків складає від одиниць мілівольт до одиниць вольт. Для посилення вихідного нанапруги п'єзоелектричного датчика необхідно застосовувати підсилювач з дуже великим вхідним опором.

Фотоелектричні датчики. До фотоелектричним датчикам генераторного типу відносяться фотоелементи із зовнішнім фотоефектом, які на відміну від фотоелементів з внутрішнім фотоефектом (фотосопротивлений) під дією світла виділяють вільні електрони. Цим створюється різниця потенціалів, виникає електричний струм, тобто відбувається безпосереднє перетворення світла в електричну величину без модуляції енергії від стороннього джерела.