6. Фотоэлектрические первичные

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Принцип действия фотоэлектрических преобразовате­лей (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т. е. они реагируют на изменение светового потока. Создание фотоэлектрических преобразователей оказалось возмож­ным, когда были открыты материалы, электроны которых полу­чают дополнительную энергию при воздействии световой энергии. Причем значение дополнительной энергии может быть таково, что часть электронов оказывается свободной.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают три группы фотоэле­ментов: с внешним и внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем (вентильные).

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 10, 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 выпол­няется в виде кольца или пластины. Нередко в лампу вводят некоторое количество нейтрального газа (аргона), который не окисляет поверхность металла, но способен ионизироваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов значение протекающего тока. Под действием световой энергии с поверхности выбиваются электроны, образующие электрический ток (внешний фотоэффект). Промышленность выпускает фото­элементы следующих типов: ЦГ — цезиевый газонакопленный; СЦВ'— сурьмяно-цезиевый, вакуумный; ЦВ — цезиевый, вакуумный.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высокой чувствительностью и высокой температурной стабильностью. Для них характерна линейная зависимость фототока от светового потока. К числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, ко­торые ограничивают их применение в автоматических системах управления, относятся: необходимость в повышенном напряжении питания; хрупкость стеклянного баллона; старение и утомляемость, т. е. снижение чувствительности при сильной освещенности.

Рис. 10. Фотоэлектрические пре­образователи: а — с внешним фотоэффектом; б — с внутренним фотоэффектом; в — вен­тильные

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) чувствительнее элементов первого типа, использующих фотоэф фект со свободной поверхности металла. Фотоэлементы с вну­тренним фотоэффектом не нуждаются во вспомогательной энер­гии, и им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма. Недостатками их являются: подверженность влия­нию окружающей температуры, утомляемость и высокая инер­ционность. Последнее ограничивает применение фотоэлементов с внутренним фотоэффектом при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

Фоторезисторы (рис. 10, б) представляют собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным тонким слоем селена или сернистых соединений различных металлов (таллня, висмута, кадмия, свин­ца). К пластине прикреплены электроды 2, имеющие контакт с полупроводниковым слоем. Размеры фоторезисторов очень не­велики. При подаче к электродам напряжения через фоторезистор будет протекать ток, значение которого пропорционально осве­щенности. Зависимость тока от освещения имеет нелинейную величину. Однако чувствительность фоторезисторов в. сотни раз превышает чувствительность вакуумных элементов, что позволяет их использовать в автоматических устройствах без усилителей.

У вентильных преобразователей свободные электроны, изме­няя свою энергию под действием светового потока, остаются в веществе. В промышленности получили наибольшее распро­странение селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновый фотоэлемент (рис. 10, в) имеет четыре рабочих слоя. Первый слой образован тонкой пленкой золота 1, далее идут запирающий слой 2, селеновый слой 3 и стальная подкладка 4. Запирающий слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны, выделившиеся из пленки золота и препятствуют про­хождению электронов противоположного направления. Таким образом, световой поток, проходя через пленку золота, создает вентильный фотоэффект, т. е. электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный. Это приводит к возникновению раз­ности потенциалов 1/_вых.

Фотоэлектрические преобразователи просты по устройству и достаточно надежны в работе. Они находят широкое применение в системах автоматики в литейных и термических цехах: для автоматического управления освещением цехов, для измерения температуры жидкого металла и нагретых деталей (фотоэлектри­ческий пирометр), определения прозрачности жидкостей или га­зов, подсчета форм и изделий, проходящих по конвейеру, для контроля пламени в топках топливных печей. Они применяются в системах защиты обслуживающего персонала от травм и т. п. В целом возможности фотоэлектрических преобразователей в ме­таллургическом производстве чрезвычайно велики.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие элементы автоматического управления (контроля) называются первичными преобразователями (датчиками)?

2. В чем заключается различие между параметрическими и генераторными преобразователями?

3. Расскажите об устройстве потенциометрических преобразователей,

4. Почему у индуктивных преобразователей статическая характеристика (вход-выход) нелинейная?

5. Расскажите об устройстве трансформаторного преобразователя.

6. Объясните принцип действия ферродииамического преобразователя.

7. Объясните принцип действия и назначение емкостных преобразователей.

8. В чем заключаются достоинства и недостатки тензометрических преоб­разователей?

9. Перечислите типы фотоэлектрических преобразователей и укажите их достоинства н недостатки.

10. Объясните принцип действия фотоэлектрических преобразователей.

Лабораторная работа 1. Исследование статических характеристик тензометрических преобразователей

Цель работы. Изучить конструкцию и принцип действия про­волочных и фольговых тензорезисторов. Получить статические характеристики испытуемых преобразователей.

Рис. 11. Лабораторнаи установка для ис­пытания тензорезисторов: а — схема включення; б — схема нагружения

Описание лабораторной установки. Лабораторная установка представляет со­бой устройство (рис. 11) для испытаний тензорезисторов со схемой для получения основных характеристик тен­зорезисторов. С целью полу­чения зависимостей выход­ной величины тензорезисто- ра от приложенных усилий в схеме необходимо исполь­зовать приборы для измере­ния электрического тока.

Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с преобразова­телями, установленными на стенде, и изучить электрическую схему соединений тензорезисторов и измерительного прибора. 2. Собрать электрическую схему испытаний (рис. 11, а). 3. Изме­няя массу груза т от нуля до максимального и от максимального до нуля, снимают зависимости для тензорезисторов 1 — f (m). Для повышения чувствительности тензорезисторов два из них R1 и R2 наклеивают на стальную пластину сверху и снизу. 4. Ре­зультаты измерений заносят в протокол испытаний и по ним строят зависимость I — f (а), где а — напряжение изгиба, опре­деляемое как отношение момента изгиба М к моменту сопро­тивления пластины N в месте наклейки терморезисторов; а = — M/N; М — mL; N — bh²/6, где buh — ширина и высота пластины, м; I — расстояние от места приложения груза до цен­тра тензорезистора, м.

Содержание отчета. Отчет должен содержать краткое описа­ние принципа действия и назначение тензорезисторов, таблицу результатов испытаний, расчетные формулы и графики зависимо­стей выходных и входных величин.