книги из ГПНТБ / Иванин В.Т. Основы автоматизации производства на карьерах учебник

На рис. 34 показаны ртутно-контактные термометры, отличаю­ щиеся друг от друга тем, что один из них (рис. 34, а) имеет только впаянные в капилляр 2 неподвижные контакты 1, а второй (рис. 34, б) снабжен подвижным контактом 2 из никелевой или платиновой проволоки. У термометров с подвижным контактом в стеклянном баллоне находится винт 5, по которому передвигается стальная гайка 4, опускающаяся или поднимающаяся вместе с подвижным контактом при вращении винта. Вращение винта достигается враще­

нием вокруг стеклянного баллона 1 по­

порциональной зависимости от механиче­ ских нагрузок и деформаций при условии, что они возникают прак­ тически мгновенно. В противном случае происходит интенсивная утечка заряда и пропорциональная зависимость нарушается.

Наибольшее распространение как пьезоэлектрик получил кварц,

у которого пьезоэлектрический эффект проявляется особенно сильно,

ив сравнении с другими пьезоэлектриками он имеет высокую меха­ ническую прочность, почти не меняет свойств при изменении темпе­ ратуры.

Из-за сложности измерительной аппаратуры пьезоэлектрические датчики при автоматизации карьерных установок почти не приме­ няются. Их использование ограничивается областью лабораторных исследований.

Датчики, принцип действия которых основан на явлении термо­ электрического эффекта, называют термоэлектрическими. Явление

50

термоэлектрического эффекта заключается в том, что если два про­ водника из разнородных металлов или их сплавов спаять одними концами, а затем нагревать место спая, то между свободными концами появится термо-э. д. с., величина которой тем больше, чем больше разность температур ¡fx — í2 (рис. 35).

Проводники, называемые термоэлектродами, образуют термо­ пару. Нагретый конец термопары называется горячим спаем или рабочим концом, второй конец — свободным концом. Для изготовле­ ния термоэлектродов применяют платину, медь, а также сплавы алюмель, хромель и другие.

Термопара преобразует изменение температуры в изменение термо-э. д. с., величина которой измеряется милливольтметром. С помощью термопар измеряют температуру от 100 до 2000° С.

Применяют термопары в металлургической, химической и других отраслях промышленности, где необходимо измерение высоких температур. В горной промышленности термопары не применяют.

Принцип действия индукционных (магнитоиндукционных) датчи­ ков основан на явлении электромагнитной индукции. Если ферро­ магнитная деталь контролируемого объекта проходит в поле постоян­ ного магнита N — S (рис. 36), то вследствие изменения проводи­ мости воздушного зазора изменяется величина потока постоянного магнита и в катушке К будет индуктироваться э. д. с., величина которой изменяется в зависимости от скорости движения объекта (ролика конвейера, реборды колеса вагонетки, металлического предмета на ленте конвейера и др.).

К фотоэлектрическим генераторным датчикам относят вентиль­ ные фотоэлементы (с запирающим слоем), которые становятся источ­ ником э. д. с. при падении на них луча света (вентильный фото­ эффект). В качестве светочувствительного материала для этих датчи­ ков применяют селен, закись меди, кремний, германий и другие полупроводники.

На рис. 37 показано устройство и схема включения селенового фотоэлемента. Световой поток Ф, проходя через полупрозрачную пленку из золота 1 (электрод) и запирающий слой 2, попадает на

полупроводник 3 и создает вентильный фотоэффект. Вторым электро­ дом служит стальная пластина 4. Возникшая э. д. с. Еф создает ток во внешней электрической цепи с сопротивлением нагрузки 7?„, в качестве которой служит электронный усилитель.

нием, для определения запыленности воздуха, контроля уровня и т. д.

Рис. 38. Схемы тахогенераторов:

а — постоянного тока; б — синхронного; в — асинхронного

Тахогенераторы относятся к электромашинным датчикам угловой скорости. Они представляют собой электрическую машину (генера­ тор) небольшой мощности, выходной величиной которой является э. д. с. постоянного или переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока (рис. 38, а) выполняются с независимым возбуждением или с постоянными магнитами.

52

Выходная э. д. с. тахогенератора

Е = /се©Ф,

где ке — коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря: ш — угловая скорость вращения якоря; Ф — магнитный поток возбуждения.

Если поток Ф создается постоянным магнитом, т. е. является величиной постоянной, то э. д. с. зависит только от скорости враще­ ния якоря. При постоянном токе возбуждения можно считать, что поток Ф также остается неизменным и величина э. д. с. будет зависеть только от скорости вращения якоря

Е — ка>,

где к — коэффициент пропорциональности.

Тахогенераторы переменного тока не имеют щеток, что является их преимуществом. Различают синхронные и асинхронные тахо­ генераторы переменного тока. Синхронный тахогенератор пред­ ставляет собой небольшую синхронную машину с якорем в виде постоянного магнита (рис. 38, б).

Выходное напряжение синхронного тахогенератора является функцией скорости. Однако при изменении скорости изменяется и частота выходного напряжения, что является существенным недо­ статком синхронных тахогенераторов, так как можно использовать только выпрямленное выходное напряжение. Недостатком этих тахогенераторов является также их нечувствительность к изменению направления вращения.

Этих недостатков лишен асинхронный тахогенератор (рис. 38, в),

который представляет собой двухфазную асинхронную машину с ротором в виде тонкостенного стакана и двумя обмотками на ста­ торе, смещенными на 90°.

Обмотка возбуждения 1 питается от сети переменного тока. При вращении ротора в потоке возбуждения Фх в нем возникают вихревые токи, создающие поток Ф2, величина которого зависит от величины вихревых токов, а частота изменения равна частоте переменного напряжения U~. Так как величина вихревых токов зависит от скорости вращения ротора, то э. д. с. в обмотке 2 будет также зависеть от этой скорости, а ее частота будет равна частоте вихревых токов, т. е. частоте напряжения Z7_. При изменении направления вращения фаза выходного напряжения меняется на обратную.

Тахогенераторные датчики широко применяют в схемах автома­ тизации ленточных конвейеров, буровых станков и других карьерных установок.

§ 19. Датчики дистанционной передачи угловых перемещений

При необходимости контролировать на расстоянии изменение угловых перемещений различных технических устройств исполь­ зуются гидравлические, потенциометрические, сельсинные и другие

53

системы дистанционной передачи угла. Такая система состоит из датчика, воспроизводящего угол перемещения контролируемого объекта, и приемника, который повторяет закон изменения угловых перемещений, заданный датчиком. Если необходимо контролировать линейные перемещения, то они сначала преобразуются в пропор­ циональные угловые, а затем передаются датчиком. При этом прием­ ник воспроизводит угловые перемещения, значение которых соответ­ ствует линейным перемещениям в контролируемом объекте.

При автоматизации карьерных установок .широкое применение нашли системы дистанционной передачи угловых перемещений с использованием сельсинов. По принципу действия сельсин является индукционным датчиком и представляет собой электрическую ма­ шину переменного тока. Однофазный сельсин (рис. 39) имеет обмотку возбуждения на роторе 3 и обмотку синхронизации из трех катушек

Рис. 39. Контактный сельсин

(смещенных на 120° и соединенных в звезду), расположенную в ста­ торе 1, или наоборот. Концы обмотки ротора выведены на контактные кольца 2 со щетками 4. Кроме контактных сельсинов типа ДИ, CG, ДС выпускаются бесконтактные сельсины БД, БС и др. Для питания сельсинов применяется напряжение 57, НО, 220 В-

Сельсинная система дистанционной передачи угла состоит из двух одинаковых сельсинов, одип из которых, называемый сельсиномдатчиком, воспроизводит угловые перемещения оси контролируемого объекта и передает их по линии связи, а второй, называемый сель­ сином-приемником, воспроизводит закон движения, заданный сель­ сином-датчиком, в виде углового перемещения ротора. Такой режим работы сельсинов называется индикаторным. Если закон движения,

заданный сельсином-датчиком, сельсин-приемник воспроизводит в виде изменения электрического напряжения, пропорционального угловым перемещениям ротора сельсина-датчика, то такой режим работы сельсинов называется трансформаторным-

При индикаторном режиме работы сельсинов (рис. 40, а) обмотка синхронизации сельсина-датчика СД соединяется с обмоткой синхро­ низации сельсина-приемника СП, а обмотки возбуждения роторов СД и СП питаются от одного и того же источника напряжения. Магнит­ ный поток обмотки ротора будет индуктировать в обмотках синхро-

34

низации э. д. с., имеющую частоту питающего напряжения. Вели­ чина индуктированной э. д. с. катушек обмотки синхронизации

максимальная э. д. с.; если ось катушки располагается перпендику­ лярно направлению потока возбуждения, то э. д. с. в ней равна нулюТак как катушки обмотки а синхронизации сдвинуты между собой на угол 120°, то для сельсина-датчика в положении, показанном на рис. 40, а, имеем:

ei = ^max cos а;

«2 = Яшах cos («4-120°);

Єз = £,тах cos (а 4- 240°),

гдее1,е2, е3 — э. д. с. в ка­ тушках обмотки синхрони­ зации; Етах — максимальное значение э. д. с. в катушках обмотки синхронизации (при совпадении их осей с осью возбуждения); а — угол по­ ворота обмотки возбуждения сельсина-датчика относитель­ но одной из катушек обмотки синхронизации.

При плавном повороте ротора датчика наведенные

линии и в обмотках синхронизации ток не возникает, так как э. д. с. соответствующих катушек СД и СП будут в любой момент времени равны по величине и направлены навстречу друг другу. Такое поло­ жение роторов сельсинов называется согласованным.

При отклонении ротора приемника от согласованного положения равновесие э. д. с. нарушится и в обмотках статора появятся токи, которые создадут так называемый синхронизирующий момент МсинХр» вращающий ротор СП до тех пор, пока он не придет в согласованное с ротором датчика положение. Величина синхронизирующего мо­ мента, развиваемого СП, зависит от угла рассогласования Ѳ осей обмоток возбуждения СД и СП.

■^сннхр = Мmax ЗІП Ѳ.

55

Угол рассогласования

Ѳ = а — ß,

где а и ß — углы поворота роторов соответственно датчика и прием­ ника от согласованного положения, принятого за на­ чальное.

Величина синхронизирующего момента в СД и СП одинакова, т. е. сельсинная передача полностью обратима и может быть упо­ доблена электрическому валу, причем один сельсин-датчик может работать на несколько сельсинов-приемников.

Схемы работы сельсинов в трансформаторном режиме приме­ няются в автоматических следящих системах (рис. 40, б). Обмотку синхронизации СД соединяют с обмоткой синхронизации СП- На­ пряжение питания подается только на обмотку возбуждения датчика, на обмотку возбуждения приемника включается нагрузка.

При повороте ротора СД на некоторый угол а в однофазной об­ мотке СП наводится э. д. с., пропорциональная синусу угла рассо­ гласования Ѳ == а — ß. Эта э. д. с. подается на усилитель, от кото­ рого питается двигатель следящего привода. Двигатель через ре­ дуктор будет поворачивать ось ротора сельсина-приемника до тех пор, пока он снова займет согласованное положение с ротором сель­ сина-датчика. Так как направление полей статоров датчика и прием­ ника повторяет положение ротора сельсина-датчика, то выходное напряжение £/вых будет равно нулю при условии, что ось ротора сельсина-приемника смещена на угол 90° относительно ротора сель­ сина-датчика. Поэтому при трансформаторном режиме работы сель­ синов согласованным называется именно такое положение роторов

•сельсинов.

Сельсинные системы дистанционной передачи угловых перемеще­ ний нашли применение при автоматизации водоотливных установок, роторных экскаваторов и других карьерных установок.

§ 20. Схемы включения датчиков и вторичных приборов

Выходная величина датчика чаще всего используется либо для измерения контролируемого параметра, либо преобразуется в дру­ гую величину, удобную для использования в системах автомати­ ческого управления или регулирования. Прибор, воспринимающий выходную величину датчика, называется вторичным прибором.

Рассмотрим некоторые из простейших схем включения датчиков и вторичных приборов.

На рис. 35 показана схема включения термопары с милливольт­ метром, являющимся вторичным прибором. Такая схема включения, предназначенная для непосредственного автоматического измерения выходной величины датчика, называется небалансной {неуравнове­ шенной} автоматической измерительной системой. Часто для уве­ личения чувствительности системы и уменьшения погрешности дат­ чики включают в измерительную мостовую схему.

56

В измерительной схеме для измерении сопротивлений (рис. 41, й): используют нулевой метод измерения, заключающийся в том, что изменение сопротивления одного плеча мостовой схемы компенси­ руется изменением сопротивления противоположного плеча до мо­ мента исчезновения тока в диагонали.

Уравновешивание мостовой схемы наступает при равенстве отно­ шений полных сопротивлений в плечах моста RUR2 = RjRS, Мостовая схема может работать на постоянном и переменном токе.

На рис. 41, б показана неуравновешенная мостовая схема изме­ рения нагрузок (деформаций) в детали ./ с помощью проволочного тензометра 11Т1. Для компенсации внешних температурных влия­ ний на деталь наклеивается тензометр ПТ2 так, что он не реагирует на деформацию от силы Р, по температура его изменяется так же.

Ряс, 41. Измерительная мостовая схема:

д— измерение сопротивления; б — ипмерение нагрузок (деформаций)

сиомощьто проволочных тензометрпп

как и датчика UT1, Оба датчика включены в смежные плечи мосто­ вой схемы, поэтому колебания температуры почти не сказываются на показаниях вторичного прибора В11,

Для измерения и записи температуры широкое применение-

иашли балансные (уравновешенные) автоматические измерительны#

системы, в которых компенсация изменения сопротивления в плечемоста осуществляется автоматически. К таким измерительным си­ стемам относятся автоматические электронные мосты и потенцио­ метры-

Упрощенная схема включения датчика R¡ (термосопротивления); и вторичного прибора приведена на рис. 42.

Схема представляет собой уравновешенный электрический мост, плечами которого являются сопротивления R1 + ri R2 + г2, R3' и Rf В одну диагональ включен источник э. д. с. Б, в другую — галь­ ванометр Г. При изменении температуры будет изменяться сопро­ тивление датчика, измеренное значение которого определит соответ­ ствующее значение температуры.

Для измерения сопротивления Rt необходимо перемещать пол­ зунок П переменного сопротивления ri + г2 до тех пор, пока ток в диагонали не станет равным нулю-В этом случае мост уравновешен

57

и величины падения напряжения на плечах моста равны между собой, так как потенциалы точек А и В также равны. Тогда сопроти­ вление датчика определится

Rt = R3 R2 + r2

Äl + rl ’

Стрелка, связанная с ползунком, при каждом новом значении сопротивления Rt будет показывать на соответственно градуиро­ ванной шкале Ш значение измеряемой температуры.

Используя датчики, преобразующие

называется величиной отпускания. Отношение величины отпуска­ ния х± к величине срабатывания х2 называется коэффициентом ■возврата реле:

1; = ^-.

хг

Реле можно классифицировать по ряду признаков.

По принципу действия реле делятся на электрические, электро­ механические, механические, тепловые, ферромагнитные и др. В свою очередь электромеханические реле по принципу действия можно разделить на электромагнитные, магнитоэлектрические, ин­ дукционные и т. д. Механические реле по воспринимаемому пара­ метру делятся на реле скорости, силы, перемещения и др.

По конструктивному исполнению реле делятся на реле общепро­ мышленного (нормального), герметического и рудничного испол­ нения.

58

Устройство реле и его отдельных элементов обусловливается областью применения, назначением и условиями работы. Поэтому реле одного и того же принципа действия может пметь различные конструктивные и кинематические особенности. Например, электро­ магнитные реле могут отличаться конструкцией и способом переме­ щения якоря, количеством контактов и катушек; электронные реле могут отличаться друг от друга количеством ламп, схемой включе­ ния, взаимодействием отдельных элементов и т. д.

Ниже будут рассмотрены особенности устройства некоторых реле общепромышленного и рудничного исполнения.

В автоматических устройствах применяется большое количество различных типов реле, которые выполняют разнообразные функции; фиксируют определенное значение входной величины, усиливают выходной сигнал (мощ­ ность, необходимая для срабатывания реле, обычно во много раз меньше мощности,

минимального напряжения, тепловые и др. Реле управления при­ меняют для включения и выключения электрических цепей аппаратов, обеспечивающих требуемый режим работы объекта; пуск, остановка, изменение скорости и т. д. В качестве реле управле­ ния чаще всего используют электромагнитные реле различных типов. С помощью реле контроля осуществляется воздействие на электри­ ческие сигнальные устройства и цепи управления при достижении контролируемой величиной определенного значения. К таким реле относят реле контроля скорости, частоты, температуры, давления и и др.

Специальную группу составляют реле времени, которые обеспе­ чивают задержку в передаче управляющих воздействий от воспри­ нимающего органа (например, катушки реле) к исполнительному (контактам реле).

§ 22. Электромагнитные реле

Электромагнитные реле являются наиболее распространенным типом из группы электромеханических реле, применяемых в устрой­ ствах автоматики. Эти реле преобразуют изменение электрической величины в изменение механического перемещения, вызывающего замыкание или размыкание контактов.

за