ление комплексом, технологическими процессами. Структурная схема САУ представлена на рис. 4.1, где ЗЭ – задающий элемент, СЭ – сравнивающий элемент, ЧЭ – преобразующий элемент (иногда объединяется вместе с датчиком), УЭ – усилительный элемент, ИЭ – исполнительный элемент, ОУ – объект управления, КУ – местная обратная связь (ОС), ГОС – главная ОС, РО – регулирующий орган. Для каждой САУ составляются алгоритм функционирования и алгоритм управления.
Алгоритм функционирования – это совокупность предписаний, правил или систематических зависимостей, определяющих правильное выполнение технологического процесса в каком-либо устройстве или комплексе.
Алгоритм управления – это совокупность предписаний, определяющих характер управляющих воздействий на объект с целью осуществления управления или заданного алгоритма функционирования.
Рассмотрим элементы автоматики с позиции применения электронных устройств.
Рис. 4.1
В системах автоматики широко применяются различные электронные датчики, наиболее широко применяемые из них представлены в данной главе.
4.1. Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические датчики используются в автоматике при измерении усилий, давления, вибраций, для ориентации устройств. В них используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что под действием приложенного усилия в гранях некоторых кристаллов (кварца, титана бария, турмалина, сегнетовой соли и др.) появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект). При внесении пьезоэлемента в электрическое поле он деформируется (обратный пьезоэффект). В пьезоэлементах различают три оси: оптическую Z и перпендикулярные к ней электрическую (пьезоэлектричкую) Х и механическую У. При действии силы Р вдоль оси Х (сжатие или растяжение), на гранях, перпендикулярных к оси Х, возникают разнополярные электрические заряды Q (продольный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси У на тех же гранях также возникают разнополярные электрические заряды (поперечный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси Z пьезоэффект отсутствует. Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем k0. При продольном пьезоэффек-
те: k0 |
Qx |
; при поперечном пьезоэффекте - |
k0 |
Sy |
|
Qy |
, где Sy |
Px |
Sx |
|
Py |
|
|
|
|
|
и Sx площади граней, перпендикулярные к осям Х и У.
Рис. 4.2
Пьезоэлемент представляет собой пластину кристалла с обкладками 2 на гранях Sx (см. рис. 4.2а). Напряжение между обклад-
ками 2 без учета измерительной схемы (см. рис. 4.2б) U |
Qxd |
, где |
|
|
Sx |
– диэлектрическая постоянная материала пластины, d – толщина пластины.
Выпускаются пьезоэлементы, работающие на сжатие (рис. 4.2а), на изгиб (рис. 4.2в, г), на сдвиг (рис. 4.2д). Пьезоэлемент, работающий на изгиб, состоит из одинаковых, склеенных между собой, пластин пьезоматериала, между которыми находится металлическая пластина. Пьезоэлементы, работающие на сдвиг, выполняют в виде колец 1, в которые вклеен внутренний электрод 2,и наклеен внешний электрод 3.
Если приложенная сила Рх постоянна, то с течением времени происходит стекание заряда и напряжение с датчика уменьшается по экспоненциальному закону. Поэтому пьезоэлектрические элементы применяют в основном для измерения усилий, изменяющихся с частотой выше 15Гц. Выходное напряжение пьезоэлектрических преобразователей обычно невелико, поэтому в системах автоматики они используются с усилителями.
4.2. Фотоэлектрические датчики
Широкое применение при автоматизации различных производственных процессов находят фотоэлектрические устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. Выпускаются три вида таких преобразователей: с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные); с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и вентильные (полупроводниковые).
Рис. 4.3
Основные характеристики фотоэлементов – это световая, т.е. зависимость фототока от освещенности IФ=f(Ф); спектральная – зависимость чувствительности S
от длины волны падающих лучей S =f( ); вольт-амперная – зависимость фототока от величины напряжения на фотоэлементе IФ=f(U). Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 4.3а) представляют собой вакуумную лампу 1, на внутреннюю стенку которой нанесен фоточувствительный слой, служащий катодом 2. Под действием светового потока, падающего на катод, последний испускает электроны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду 3, создавая внутри фотоэлемента ток (фототок).
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (рис. 4.3б) – фоторезисторы, принцип действия которых состоит в том, что свободные электроны, образующиеся под действием светового потока в слое светочувствительного проводника 2 резко изменяют его сопротивление. Светочувствительный материал наносится на изоляционную подложку 3 и сверху покрыт защитной тонкой прозрачной пленкой 1. Широко применяются сернисто-кадмиевые (ФС-К), сер- нисто-свинцовые (ФС-А), сернисто-висмутовые (ФС-Б) и селини- сто-кадмиевые (ФС-Д) фоторезисторы. Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом (рис. 4.3в) на основе p-n перехода, в котором под воздействием светового потока происходит генерация пар электрон-дырка в области p-n перехода. Электрическое поле p-n перехода разделяет электроны и дырки. Генерация пар электрондырка приводит к увеличению обратного тока фотодиода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения между анодом и катодом при разомкнутой цепи. На рис. 4.3г показана схема включения фототранзистора с ОЭ, где Rн – сопротивление в цепи коллектора, U1 – напряжение питания, U2 – напряжение смещения. Выходные характеристики фототранзистора в этой схеме подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но их положение определяется не током базы, а величиной светового потока.
4.3. Радиотехнический датчик
144
В системах автоматики необходимо оперативное обнаружение посторонних предметов в рабочей зоне. Для этих целей может быть применено бесконтактное радиотехническое устройство. Воспринимающая часть 1 этого устройства (рис. 4.4) представляет транзисторный автогенератор метровых волн с колебательной системой. При наличии вблизи колебательной системы автогенератора предмета изменяется его комплексное сопротивление, что вызывает дополнительные потери высокочастотной энергии, восполняемые источником питания. Вследствие этого внутреннее сопротивление автогенератора увеличивается и напряжение в точках 2 и 5 растет, что приводит к возрастанию величины тока через измерительный стабилитрон 4. Ток, протекающий через стабилитрон 4, открывает его и вызывает срабатывание исполнительного реле 3, которое включает световую или звуковую сигнализацию.
Рис. 4.4
4.4.Датчики температуры
Всистемах автоматики широко используются теплоэлектрические датчики температуры: термопары, металлические полупроводниковые терморезисторы, полупроводниковые диоды и транзисторы. Такие датчики преобразуют изменение температуры в изменение ЭДС, электрического сопротивления, тока. Термопары представляют собой спай из двух разнородных металлических проводников или полупроводников, в которых под действием температуры возникает термоЭДС. Чувствительность термопары показывает величину изменения термоЭДС при изменении температуры на
10С. Чувствительность термопар невелика и составляет 0,01…0,07 мВ/0С.
Металлические терморезисторы изготавливаются из платины (ТСП), меди (ТСМ), никеля, вольфрама. Зависимость сопротивления терморезисторов от температуры определяется Rт≈R0(1+α∆Т), где
R0 – сопротивление при начальной температуре Т0, α – температурный коэффициент сопротивления,
Т=Т=Т0.
Чувствительность терморезисторов характеризуется темпе-
ратурным коэффициентом сопротивления K |
RT |
|
RT |
. |
|
|
|
|
T |
T |
T |
|
|
|
|
Полупроводниковые терморезисторы, обладающие отрицательным температурным коэффициентом называют термисторами, с положительным температурным коэффициентом в области плюсовых температур – позисторами. В области отрицательных температур сопротивление позисторов уменьшается. Отечественной промышленностью выпускаются медно-марганцевые (ММТ), ко- бальто-марганцевые (КМТ) и другие термисторы, а также позисторы типа СТ51, СТ6-1А, СТ6-1Б, СТ6-2Б, СТ6-3Б, СТ6-1В и СТ6-1Г.
Зависимость сопротивления термистора от температуры оп-
ределяется R |
Т |
R ec / Т , где Т – температура, R∞ - сопротивление |
|
|
термистора при Т→∞, с – постоянный коэффициент. Чувствительность полупроводниковых терморезисторов в
5-30 раз выше, чем металлических.
Терморезисторы могут включаться по нереверсивной (а), дифференциальной (б) и мостовой (в) схемам (рис. 4.5).
Рис. 4.5
Для измерения температуры могут применяться также диоды, например, силовые диоды Д7А – Д7Ж, а также транзисторы. Чувствительность диодов до 2,2мВ/град, транзисторов до 0,4мВ/град.
Терморезисторы используются в системах регулирования температур, противопожарной сигнализации, теплового контроля или защиты, в схемах температурной компенсации в частности для термокомпенсации кварцевых резонаторов, для стабилизации режимов транзисторных каскадов.
Рассмотрим применение термистора в схеме регулятора температуры. Дифференциальная схема на составных транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4 сравнивает напряжение, формируемое регулируемым делителем эталонного напряжения R4-R6 с напряжением, которое снимается с делителя, образованного термистором и резистором R2. Токовое зеркало на транзисторах VT5, VT6 является активной нагрузкой дифференциального усилителя и служит для увеличения коэффициента усиления, токовое зеркало на транзисторах VT7, VT8 обеспечивает эмиттерный ток. Транзистор VT9 подает выходное напряжение с дифференциального каскада, являющееся результатом сравнения, и переводит составной транзистор в режим насыщения, который подает мощность на нагреватель, если термистор охлажден слишком сильно. Сопротивление R9 включает защитный транзистор VT12 если выходной ток превышает 6А, при этом отключается сигнал с базы составного транзистора VT10, VT11, которые закрываются.
Рис. 4.6
Ниже на рис. 4.7 приведены схемы усилителей на основе ОУ, применяющихся для усиления сигналов с датчиков: (а) усилитель световых сигналов с фоторезистором; (б) усилитель световых сигналов с фотодиодом; ( в)высокостабильный усилитель для термопары; (г) усилитель для мостовых датчиков.
.
а)
б)
в)
г) Рис. 4.7
4.5. Модуляторы и демодуляторы
Модулятор – устройство для преобразования входного медленно изменяющегося электрического сигнала в колебания более высокой частоты, параметры которого изменяются в соответствии с изменением входного сигнала. При модуляции изменяются параметры несущего (опорного) напряжения. Если опорное напряжение гармоническое, его можно записать
u=Umcos(ωt+υ0),
где Um – амплитуда напряжения, ω – частота, υ0 – начальная фаза.
149
Вид модуляции определяется в зависимости от того, какой параметр изменяется у несущего колебания. При изменении амплитуды Um в соответствии с изменением входного сигнала получают амплитудную модуляцию, если изменяется частота – частотная модуляция, фаза соответственно фазовая. По виду модуляции различают амплитудные, частотные, фазовые модуляторы. Если сигнал представляет собой периодическую последовательность импульсов, характеризуемых амплитудой, длительностью, частотой и фазой, то в соответствии с тем, какой из этих параметров изменяется под воздействием модулирующего сигнала различают амплитудноимпульсную, широтно-импульсную, частотно-импульсную и фазоимпульсную модуляцию.
Демодулятор – устройство для выделения низкочастотного сигнала из модулированного колебания. В зависимости от вида модуляции воздействующего сигнала на демодулятор различают амплитудные, частотные и фазовые демодуляторы.
В системах автоматики применяются модуляторы и демодуляторы с различными принципами модуляции. В данной главе рассмотрены амплитудные демодуляторы и модуляторы, которые основываются на транзисторных ключах. Такие устройства широко применяются в системах автоматики.
Амплитудные модуляторы на транзисторах могут быть однополупериодные и двухполупериодные. Транзисторы работают в ключевом режиме. Схемы однополупериодных модуляторов представлены на рис. 4.8(а, б). Опорное (коммутирующее) напряжение, изменяющееся по времени подводится к цепи база-коллектор через разделительный трансформатор, а цепь эмиттер-коллектор используется как прерыватель тока, создаваемого источником сигнала (Uвх) в резисторе нагрузки Rн. В данном случае транзистор является пассивным переключателем, и усилительные его свойства не используются.
150
