книги из ГПНТБ / Шилов, В. Ф. Элементы электронной автоматики учебное пособие

- 21 -

стеклянные баллон, в который помещены два электрода: анод в катод. Воздух из баллона удален. Внутренняя поверхность баллона покрыта обычна слоем щелочно-земельного ме­

талла. Этот слой является фотокатодом. Против катода остав­ ляют прозрачный слой отекла, чтобы через него на катод мог падать световой поток. Анод изготовляют в виде небольшой проволочной петли, с тем чтобы он возможно меньше затемнял катод, и укрепляют в центре баллона. Вакуум в баллоне пре­ дохраняет светочувствительный слой от быстрого окисления и облегчает движение, „вырванных'*светом из катода электронов к аноду.

Пока катод не освещен, ток в цепи фотоэлемента (рис.19) отсутствует. При освещении катода микроамперметр покажет ток, причем величина тока будет црнмопропорциональна величи­ не падающего светового потока. Эта зависимость определяет световую характеристику фотоэлемента. На рисунке 20 приве­ дены световые характеристики для двух фотоэлементов разной чувствительности.

Для фотоэлементов необходимо знать вояьтамперные харак­ теристики, снятые при различных величинах постоянного све­ тового потока. Такие характеристики показаны на рисунке 21. Анализируя эти характеристики, можно сказать следующее. Ког­ да на фотоэлементе внешнее напряжение равно нулю, то элект­ роны, выбитые светом с поверхности фотокатода, скашиваются

-22 -

жобразуют электронное облако около катода. Оно препятству­ ет вылету других электронов,к тому же часть электронов воз­ вращается на катод. Так возникает динамическое равновесие, при котором часть электронов в результате хаотического дви­ жения возвращается из облака обратно на катод, а другие электроны, выбитые светом из фотокатода, непрерывно посту­ пают в это облако.

При возрастании внешнего напряжения все большая часть электронов из электронного облака будет попадать на анод и фототок возрастает. В том месте характеристики, где нели­ нейная часть кривой переходит в прямую линию, электронное облако полностью рассасывается внешним электрическим полем. Все электроны, вырванные светом из фотокатода, без задержки попадают на анод. Напряжение, соответствующее перегибу ха­ рактеристики (точка К) называют напряжением насыщения. Его величина 30-60 в. При дальнейшем увеличении напряжения ток фотоэлемента практически остается постоянным и не зависит от анодного напряжения. Из характеристики видно, что при равных приращениях светового потока получаются равные при­ ращения фототока. Это происходит тогда, когда рабочее нап­ ряжение на аноде фотоэлемента больше напряжения насыщения.

Если направить на фотоэлемент световой поток, имеющий одну и ту же величину световой энергии, но разные длины волн, то величина фототока для каждой длины волны будет различной. Эта зависимость называется спектральной харак­ теристикой. Спектральная характеристика для вакуумного сурьмяноцезиевого фотоэлемента приведена на рисунке 22.

Из характеристики видно, что наибольшая чувствительность для длины волны в 350 нм и наименьшая - для 550 нм.

Вакуумные фотоэлементы отличаются большим постоянством своих характеристик, но имеют сравнительно низкую фотоэлект­ рическую чувствительность. Более высокую чувствительность имеют газонаполненные фотоэлементы. В них большой фототок создаетоя вследствие увеличивающегося потока электронов при ионизации газа. Процесс же ионизации газа состоит в том,

что быстро летящие фотоэлектроны сталкиваются с атомами га-

sa и выбивают из них новые (вторичные) электроны. Движение вторичных электронов и положительных ионов образует допол­ нительный электрический ток. Поэтому общий ток газонаполнен­ ного фотоэлемента больше тока того же фотоэлемента без га­ зового наполнения. Это явление называют газовым усилением фототока.

Газом для наполнения фотоэлемента обычно служат аргон, гелий. Они вводятся под давлением 0,001-0,01 мм рт.ст.

Вольтамперная характеристика (рио. 23) газонаполненно­ го фотоэлемента отличается от той же характеристики вакуумдого фотоэлемента. При достаточно большом анодном напряже­ нии вторичные электроны становятся способными вызвать удар­ ную Ионизацию, при которой происходит лавинообразное нарас­ тание тока в фотоэлементе, ведущее к самостоятельному раз­ ряду. Это явление приводит к порче прибора и его следует избегать.

Газонаполненные фотоэлементы в отличие от вакуумных обладают значительной инерционностью, причина которой - вторичная ионизация.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом нашли широкое при­ менение в звуковом кино, аппаратуре для передачи изображе­ ния и в различных автоматических устройствах.

- 24 -

Существенным недостатком рассмотренных фотоэлементов является их относительно невысокая чувствительность. Это вызывает необходимость последующего значительного усиления сигнала с помощью усилителя. Повышение чувствительности достигается в фотоэлементах со вторичной электронной эмис­ сией, получивших название Фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Схема устройства и подачи питания на ФЭУ показана на рисун­ ке 24. Под действием света, падающего на фотокатод, о его

поверхности излучается некоторое количество электронов. Эти электроны попадают в ускоряющее электрическое поле, существующее между электродом Aj (динодом) и фотокатодом, и, бомбардируя динод Д | , выбивают из него вторичные элект­ роны, которые в свою очередь бомбардируют динод Jt^, нахо­ дящийся под более высоким положительным потенциалом, и т.д. Обычно число вторичных электронов в 4-5 раз больше числа

первичных электронов. Следовательно, каждый динод дает уси­ ление потока электронов в указанное число раз. Мощный электронный поток, падающий на последний электрод - анод,

ляет 1-100 а/лм.

Недостатки ФЭУ заключаются в том, что необходим высо­ ковольтный источник питания, чувствительность их изменяется со Бременем я они не способны переносить световые перегрузки.

- 25 -

Чтобы работа ФЭУ была длительной и надежной, анодный ток не должен превышать нескольких миллиампер, и противном случае из поверхности анода выделяется газ и прибор выходит из строя.

§ 8. Ионизационный датчик

Принцип действия ионизационного датчика основан на про­ водимости газа под действием ионизатора. Чаще всего таким

щего излучения, которыми могут быть искусственные радиоак­ тивные вещества. Излучение, проникающее в датчик, преобра­ зуется в нем в электрические сигналы. Обычно такими датчи­ ками являются ионизационные трубки, пропорциональные счет­ чики, счетчики Гейгера-Мюллера. На приведенном рисунке 25 датчиком является ионизацион­ ная трубка. Она представляет собой оооуд, заполненный газом.

Внутри трубки укреплен изоли­ рованный электрод, вторым же электродом является корпус трубки. Если к электродам труб­ ки приложить электрическое нап­ ряжение, то при обычных условиях тока в цепи о нагрузочным соп­ ротивлением Ян не будет, так

как газ является не проводящей средой. Под действием про­ никающего излучения газовая среда в трубке ионизируется к в цепи потечет ток. Величина тока зависит от степени иони­ зации среды и, следовательно, от интенсивности проникающего излучения.

Если на пути проникающего излучения поставить испытуе­ мое тело (А), то оно ослабит излучение и ток в цепи Я н уменьшится. По изменению величины напряжения на резисторе

- 26 -

RH можно судить о параметрах (толщине, плотности, однород­ ности) поглотителя, которым является испытуемое тело.

Альфа-излучение из-за низкой проникающей способности обычно применяют при анализе параметров (давления, плотнос­ ти, расхода) газовых сред.

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью и используется в устройствах для измерения толщины, плотнос­ ти и других параметров твердых материалов небольшой толщины.

Гамма-излучение сравнительно слабо поглощается вещест­ вом и может проникать в тела на глубину нескольких десятков сантиметров. Оно используется для исследования поглотителей значительной толщины.

Ионизационные датчики широко применяют в автоматических устройствах для измерения и контроля геометрических размеров ж плотности различных тел, перемещений, температуры газовых сред. Кроме того, их часто применяют при измерениях в усло­ виях высоких температур и давлений.

§ 9. Емкостный датчик

Принцип действия емкостного датчика основан на зависи­ мости емкости конденсатора от расстояния между обкладками, площади обкладок и диэлектрической проницаемости среды меж­ ду ними. Эта зависимость в системе СИ выражается известной

формулой:

С- гА.

d

Измеряемая неэлектрическая величина может воздейство­ вать на один или несколько параметров конденсатора:

В соответствии с этими параметрами различают следующие типы емкостных датчиков: I) с изменяющейся площадью обкладок,

2) с изменяющимся расстоянием между обкладками, 3) с изме­ няющейся диэлектрической проницаемостью. Все емкостные дат­ чики работают на переменном токе повышенной частоты (от килогерц до мегагерц). Так как величина переменного тока, протекающего через конденсатор, пропорциональна его емкости,

- 27 -

то по показаниям измерительного прибора (миллиамперметра) можно судить о емкости конденсатора.

Конструктивно емкостные датчики могут быть весьма раз­ нообразны, приведем основные из них.

Емкостный датчик с переменным расстоянием между обклад­ ками выполняют обычно в виде плоского двухэлектродного воз­ душного конденсатора с одной подвижной пластиной (рис. 26).

При перемещении подвижной пластины, например' вверх,емкость конденсатора уменьшается, уменьшается и ток, протекающий через него. Зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками обратно пропорциональная. Ее графическое выражение показано на рисунке 27. Такого рода емкостные датчики часто вводят в резонансные контуры. Это позволяет получить высокую чувствительность при измерении перемещения.

Для увеличения емкости применяют многопластинчатые ем­ костные датчики, представляющие ряд рассмотренных конденса­ торов, расположенных один над другим. Подвижные пластины укреплены на общем штоке. Емкость таких датчиков составляет десятки или сотни пикофарад. Обычное расстояние между плас­ тинами - десятые доли миллиметра. Емкостные датчики такого типа позволяют измерять весьма малые перемещения, доходящие в лабораторных условиях до 1СГ® ынк, а в технических устрой­ ствах - до десятых долей микрона.

Емкостный датчик с переменной площадью пластин пред­ ставляет собой воздушный конденсатор переменной емкости (рис. 28). При смещении подвижной пластины относительно не­ подвижной изменяется величина активной площади конденсатора и, следовательно, величина емкости. Эта зависимость выраже-

- 28 а

на графически и показана на рисунке 29. Обычно такого рода датчики применяет для преобразования угловых перемещение в изменение емкости.

Емкостный датчик с переменной диэлектрической спелой (рис. 30) может быть применен для измерения уровня жидкости,

определения диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ. Чем ниже уровень жидкости в трубке, тем большая часть пространства заполнена воздухом и тем меньше емкость конденсатора. Если жидкость диэлектрик, например вода, то в этом случае величина емкости значительно возрастает, так как диэлектрическая проницаемость для жидкости несравненно больше, чем для воздуха.

Как уже было сказано, питание емкостных датчиков произ­ водят напряжением высокой частоты. Это связано с тем, что они имеют небольшую емкость и, следовательно, высокое реак­ тивное сопротивление. Повышением частоты питающего напряже­ ния это сопротивление можно значительно снизить. Так, напри-

- 29 -

мер, при емкости датчика 100 пф сопротивление его при час­ тоте питающего напряжения 50 гц будет примерно З Л О 7 ом, а на частоте 100 кгц - только 160 ом.

Погрешности емкостных преобразователей в основном оп­ ределяются изменением геометрических размеров его деталей к диэлектрической проницаемости среды между обкладками при изменении температуры.

§ 10. Индуктивные датчики

Индуктивные датчики делятся на две группы: низкочас­ тотные и высокочастотные. Принцип действия и тех и других основан на изменении индуктивного сопротивления катушки датчика под влиянием преобразуемой величины. Это сопротив­ ление иэменяетоя пропорционально изменению индуктивности катушки и частоты питающего датчик напряжения.

В низкочастотных преобразователях индуктивность опре­ деляется особенностями конструкции преобразователя: типом и размером сердечника, его магнитной проницаемостью, коли­ чеством витков и диаметром провода катушки, величиной зазо­ ра в замкнутой магнитной системе, положением сердечника в 'соленоидной катушке, концентрацией магнитного материала

в наружной' части магниторровода. Обычно в индуктивных дат­ чиках переменными величинами, влияющими на суммарную индук­ тивность, являются величина.завора, положение сердечника в катушке и концентрация магнитных материалов в наружной час­ ти м&гнитопровода.

Таким простейшим измерительным элементом является дрос­ сель о изменяющимся воздушным зазором или изменяющейся пло­ щадью поперечного сечения магнитной цепи (рис. 31). Катушка данного дросселя, так хе как катушки всех других существую­ щих типов индуктивных измерительных элементов, питается пе­ ременным током. При перемещении подвижного якоря I индук­ тивное сопротивление катушки 2 будет изменяться. Таким об­ разом механическое перемещение может быть преобразовано в изменение величины тока, проходящего через катушку 2. В тех