книги из ГПНТБ / Фотиев М.М. Рудничная автоматика и телемеханика учеб. пособие

Рис. 11. Индукционные датчики:

устройство, б — датчик ДМ-2; / — корпус, 2 — кольцевой мапшт, 3 — пробка, 4 — сердечник, 5 — катушка, крышка, 7 — диск

Асинхронный тахогенератор (рис. ІО, г) представляет собой двухфазную асинхронную машину, ротор которой выполнен в виде тонкостенного цилиндра. При вращении в магнитном поле в роторе индуктируются вихревые токи. На статоре тахогенератора распо­ ложены под углом 90 эл. град, две обмотки. К обмотке 1 подводит­ ся напряжение переменного тока U ~ , Обмотка 2 является выход­ ной, к ней подключается (обычно через выпрямитель) схема уп­ равления или измерительный прибор. Э. д. с., индуктируемая потоком ротора в обмотке 2, пропорциональна скорости его вра­ щения.

Тахогенераторы в горной промышленности широко применяются в схемах автоматизации подъемных установок и при автоматизации ленточных конвейеров.

Индукционные датчики скорости состоят из разомкнутого маг­ нитопровода, содержащего постоянный магнит, и катушки. В магнитопроводе датчика (рис. 11, а) одним из участков магнитопрово­ да являемся рельс. Когда ферромагнитная деталь контролируемого объекта (в данном случае колесо) проходит вдоль концов разом­ кнутого магнитопровода, то вследствие изменения проводимости воздушного зазора изменяется величина потока постоянного магни­ та. Поскольку катушка К находится в изменяющемся толе посто­ янного магнита, то в ней будет индуктироваться э. д. с. Скорость изменения магнитного потока, а следовательно, и величина индук­ тированной э. д. с. зависят от скорости движения объекта (цепи скребкового конвейера, ролика, вагонетки и др.).

На рис. 11, б показан индукционный датчик ДМ-2, работающий в комплекте аппаратуры автоматизации конвейерных линий в шах­ тах, опасных по газу или пыли. Магнитопровод датчика состоит из постоянного кольцевого магнита 2 и диска 7 с приклепанным к не­ му стальным сердечником 4, на котором расположена катушка 5. Магнитопровод с катушкой помещен в силуминовый корпус 1, за­ крываемый стальной крышкой 6 с латунной пробкой 3. Датчик устанавливается у приводной головки конвейера под холостой ветвью скребковой цепи. При движении цепи в датчике индуктирует­ ся э. д. с., достаточная для срабатывания чувствительного реле. В случае остановки цепи реле через магнитный пускатель выключа­ ет двигатель конвейера.

§ 7. Датчики усилия, момента, деформации

Датчики усилия, момента, деформации применяются во взвеши­ вающих устройствах, например в устройстве контроля загрузки скипа, а также при исследовании нагрузок в деталях машин. В ка­ честве датчиков указанных -величин применяют тензодатчики и маг­ нитоупругие датчики.

Тензодатчики служат для преобразования контролируемых де­ формаций твердых тел в электрический сигнал. Датчик представля­ ет собой тонкую петлеобразно уложенную проволочку, обклеенную

с обеих сторон бумагой. Проволочка изготовляется из материала с большим удельным электрическим сопротивлением (копель, кон­ стантен, различные полупроводники). Тензодатчик наклеивается на деталь, в которой контролируется деформация. При нагружении детали, например при растяжении, проволочка вместе с деталью удлиняется и ее омическое сопротивление увеличивается. Измеряя сопротивление проволочки, можно контролировать деформацию де­ тали, т. е. приложенную нагрузку. Для увеличения чувствительнос­ ти тензодатчики обычно попарно включаются в измерительную

мостовую схему. С помощью тензодатчиков можно контролировать вес транспортных устройств, их загрузку, усилие на крюке рудничного электровоза, измерять деформа­ ции, определять величину крутящего момен­ та, давления и др.

Недостатком, ограничивающим широкое применение тензодатчиков в схемах руднич ной автоматики, является их малая чувст­ вительность и, следовательно, необходи­ мость в сложных измерительных при­ борах.

Действие магнитоупругих датчиков основано на свойстве фер­ ромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость под действием механических упругих деформаций.

Датчик дроссельного типа представляет собой электромагнит переменного тока с замкнутым магнитопроводом. Под влиянием усилия или момента сердечник деформируется. Изменение магнит­ ной проницаемости сердечника ведет к изменению магнитного по­ тока и, следовательно, полного электрического сопротивления ка­ тушки, уложенной в окнах сердечника.

Датчик трансформаторного типа имеет первичную обмотку, под­ ключенную к цепи переменного тока, и одну или несколько вторич­ ных (выходных) обмоток. При изменении усилия, действующего на сердечник, изменяется взаимная индуктивность между первичной и вторичными обмотками и, как следствие, э. д. с. вторичных обмоток.

На рис. 12 показан магнитоупругий трансформаторный датчик. Основной частью его является пакет стальных пластин с четырьмя отверстиями для обмоток. Пластины изготовляются и собираются так, чтобы направления прокатки соседних пластин были взаимно перпендикулярны. Первичная обмотка питается переменный! током. Во вторичной обмотке наводится э. д. с., зависящая от величины приложенной к пакету измеряемой механической силы.

Достоинством магнитоупругих датчиков является большая вы­ ходная мощность, простота конструкции, надежность. К недостат­ кам их следует отнести сравнительно невысокую точность, измене­ ние характеристик с течением времени. Применяются они в основ­ ном для измерения больших усилий и крутящих моментов, деформаций в элементах конструкций и др.

Для измерения давления служат различные манометры, а для измерения разрежения — вакуумметры. Разность (перепад) давле­ ний измеряют дифференциальными манометрами. В большинстве датчиков давления в качестве чувствительных элементов использу­ ют различные преобразователи давления в механическое перемеще­ ние, применяемые в манометрах. К датчикам давления с механиче­ скими воспринимающими органами относятся жидкостные датчики

стакан. Под действием измеряемого давления сильфон деформиру­ ется (растягивается). Деформация сильфона служит мерой давления.

заполненный рабочей средой термобаллон, который капилляром соединен с чувствительным элементом — манометрической пружи­ ной, сильфоном и т. п. В зависимости от вида рабочей среды ма­ нометрические датчики температуры делятся на: жидкостные, за­ полненные ртутью; паровые, заполненные жидкостью с низкой тем­ пературой кипения (спирт, ацетон, эфир п др.) ; газовые, заполнен­ ные инертным газом (азотом, гелием и др.).

Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводников и по­ лупроводников изменять удельное электрическое со­ противление в зависимости от температуры. В качестве материалов для изготовле­ ния термометров сопротив­ ления применяют медь (для интервала температур 100— 150°С), сталь (250—300°С), платину (500° С и выше) и некоторые другие металлы.

Чувствительность термометра сопротивления к изменению темпе­ ратуры характеризуется температурным коэффициентом сопротив­ ления а. Зависимость сопротивления от температуры приближенно определяется следующим выражением:

Д 0 = Д о [ 1 + а ( Ѳ - Ѳ о ) ] ,

где До, До — величины сопротивления соответственно при 0о = ОоС- и при данной температуре 0; а — температурный коэффициент со­ противления, равный для меди 4,3- ІО-3 1 /град.

Измеряя сопротивление датчика, можно определить температу­ ру среды, в которую он помещен. Для измерения температуры обычно применяют логометры и специальные схемы уравновешен­ ных и неуравновешенных мостов.

Проволока термометра сопротивления наматывается на спе­ циальный каркас из фарфора, слюды или пластмассы и закрывает­ ся защитным чехлом. Отечественной промышленностью изготовля­ ются термометры сопротивления из платины и меди, которые обоз­ начаются соответственно ТСП и ТСМ. Величина сопротивлений дат­ чиков для платиновых термометров 10— 100 ом, для медных 50— 100 ом при 0° С.

Полупроводниковые термосопротивления (терморезисторы) из­ готовляются прессованием с последующей температурной обработ­ кой порошков оксидов, нитридов, карбидов и сульфидов различных металлов (меди, никеля, марганца, кобальта, магния, титана, урана и др.). Сопротивление терморезисторов в отличие от металлов уменьшается при увеличении температуры, т. е. они имеют отрица­ тельный температурный коэффициент сопротивления.

Величина температурного коэффициента сопротивления термо­ резисторов в 8— 10 раз выше, чем у металлов, что делает их более чувствительными к изменениям температуры.

Достоинством терморезисторов является также их высокое удельное (pæ ІО3 ом-см) и общее электрическое сопротивление, ко­ торое значительно превышает сопротивление соединительных прово­ дов. Поэтому изменение сопротивления вторичных цепей не вносит ощутимых погрешностей в результаты измерений.

На рис. 16; а изображена вольт-амперная характеристика тер­ морезистора. При возрастании силы тока до некоторой величины Г напряжение на терморезисторе начинает снижаться. Следователь­ но, вольт-амперная характеристика имеет падающий участок. По­ добная характеристика дает возможность получить так называемый релейный эффект. Если последовательно с терморезистором ТР (рис. 16, б) включить катушку маломощного реле Р, то при опреде­ ленной температуре, когда сила тока достигнет величины I', напря­ жение на терморезисторе резко снизится. Напряжение сети U теперь будет приложено, главным образом, к катушке реле, и оно срабо­ тает. Релейный эффект при заданной величине напряжения возни­ кает при строго определенной температуре окружающей среды. Это позволяет сравнительно просто осуществлять автоматическую за­ щиту от перегрева. Терморезисторы могут работать при температу­ ре от — 100 до +400° С. Конструктивно они выполняются в виде бусинок, стерженьков, пластинок небольших размеров. Иногда их помещают внутрь стального баллона, заполненного инертным га­ зом и т. п.

Недостатком терморезисторов является разброс характеристик различных экземпляров, что затрудняет их использование для из­ мерений— требуется индивидуальная градуировка вторичных при­ боров. Параметры терморезисторов несколько изменяются с тече­ нием времени, особенно в первые месяцы после изготовления.

Действие термопары основано на явлении термоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что если соединить или спаять концы двух термоэлектродов, изготовленных из разнородных метал­ лов или полупроводников, и'сообщить этим спаям разные темпера­ туры, то в цепи термопары появится э. д. с. Нагреваемый конец термопары называется горячим спаем, или рабочим концом, а ко­ нец, находящийся при постоянной температуре — холодным спаем, или свободным концом.

В качестве материала для изготовления термопар используют благородные металлы — иридий, платину и др., а также сталь, медь, никель, сплавы — хромель, константам, копель и некоторые полу­ проводники.

Основной характеристикой проводников, применяемых в термо­ парах, является величина термо-э. д. с. в соединении с платиной при температуре рабочего и свободного концов соответственно 100 и 0°С. Так, для константана эта величина составляет —3,4 в, для копеля — 4 в, хромеля +2,95 в. Максимальная рабочая температу­ ра зависит от материала термокатодов. Для термопары медь —

Как видно из графика, зависимость термо-э. д. с. от температуры примерно линейная.

температур до 400°С) и из стали (до 1000°С). Иногда его покры­ вают огнеупорной эмалью. При более высоких температурах приме­ няют неметаллическую арматуру, например, из кварца, фарфора.

§ 10. Датчики депрессии, расхода газов и жидкостей

Расход жидкостей или газов можно определить, измерив перепад давления. Сущность этого метода состоит в следующем. В трубопро­

соединяют с сужающим устройством до и после него. Расходомер,

содержащий сужающее устройство, называется дроссельным. При­ меняют поплавковые, колокольные, мембранные, сильфонные и кольцевые дроссельные дифманометры.

Поплавковый дифманометр имеет два сообщающихся сосуда, за­ полненных водой, маслом или ртутью и соединенных трубками с измеряемыми точками. В плюсовом сосуде, к которому подводится большее давление р\, размещен поплавок, связанный шарнирно-рфі- чажной передачей с показывающим устройством прибора. По положению поплавка судят о вели­

чине измеряемой разности давлений.

.Основной частью колокольного дифманометра

является колокол, помещенный в сосуд, запол­ ненный жидкостью. Большее давление р\ подво­ дится под колокол, меньшее Рг — в пространство над колоколом. Под действием измеряемой раз­ ности давлений колокол перемещается. Высота перемещения колокола пропорциональна изме­ ряемой разности давлений.

Мембранные и сильфонные дифманометры

отличаются от соответствующих манометров тем, что имеют два входных отверстия, по которым подводится давление Р\ и ро. Одно из давлений

подводится под мембрану (сильфон), а второе — в пространство над ними. Под действием измеряемой разности давлений мембрана или сильфон деформируются и воздействуют на стрелку прибора, контактную систему или на какой-либо преобразователь.

Кольцевой дифманометр («кольцевые весы») представляет со­ бой полое кольцо (рис. 19), заполненное до половины водой; мас­ лом или ртутью. В верхней части кольцо разделено глухой перего­ родкой Я. Кольцо опирается на неподвижную подставку призмой и под действием разности давлений р\—рі может поворачиваться на некоторый угол ср. В нижней части кольца имеются предельные гру­ зы Г весом G, при помощи которых (путем смены грузов или изме­ нения размера а) устанавливается необходимый предел измерений перепада давления. Обе полости кольца соединены с трубопрово­ дом до и после сужающего устройства гибкими трубками. Вслед­ ствие разности давлений р\ и р2 усилие, действующее на перегород­

ку, создает вращающий момент. Под действием этого момента коль­ цо повернется на такой угол ср, при котором вращающий момент уравновесится моментом от груза. Поворот кольца передается стрелке с помощью рычажков и лекала, форма которого прини­ мается такой, чтобы шкала прибора, градуированная в единицах расхода, была равномерной.

Наряду с дроссельными применяют и другие типы датчиков рас­

хода, рассмотренные ниже.

Действие калориметрических датчиков расхода основано на за­ мере изменений температуры среды при поглощении ею определен­ ной тепловой энергии. В поток среды ставится нагревательное уст­ ройство, тепловаямощность которого поддерживается постоянной.

За нагревателем в направлении потока помещают измеритель тем­ пературы. Так как температура связана с расходом определенной зависимостью, то, измерив температуру, можно определить расход вещества.

Для измерения расхода применяют также термоанемометры. В потоке устанавливается спираль или терморезистор, подключен­ ные к стабилизированному источнику питания. Температура, а сле­ довательно, и сопротивление спирали зависят от скорости (расхода) обдувающего ее газа. При включении спирали, например, в мосто­ вую схему можно по силе тока в диагонали моста определить рас­ ход газа или жидкости.

Для измерения, записи и двухпознционного регулирования про­ изводительности вентиляционных установок шахт, опасных по газу или пыли, применяют датчик ДКП (расходомер «Старт»), В каче­ стве чувствительного элемента в нем используется термометр со­ противления.

В термоэлектрическом анемометре АТЭ-2, предназначенном для измерения малых скоростей потока воздуха в горных выработках, чувствительным элементом служит термопара.

Тахометрические датчики расхода измеряют скорость вращения крыльчатки, помещенной в поток жидкости. Скорость вращения крыльчатки однозначно связана с расходом вещества. Преобразо­ вание скорости вращения крыльчатки в электрический сигнал осу­ ществляется фотоэлектрическим, индукционным и другими способа­ ми. Тахометрические датчики расхода обеспечивают высокую точ­ ность измерения при значительных скоростях потока. На этом принципе работают анемометры АФЭ-1 и АИ-1.

Действие индукционных расходомеров основано на том, что при движении в магнитном поле потока электропроводящей жидкости в ней, согласно закону электромагнитной индукции, наводится э. д. с. Разность потенциалов, замеренная между двумя диаметраль­ но расположенными точками трубы, будет являться мерой скорости и приближенно мерой расхода жидкости.

Для контроля депрессии, создаваемой шахтными вентиляторны­ ми установками главного проветривания, используется аппарат депрессии ДКДВ. Чувствительным элементом аппарата является сильфон в сочетании с дифференциальным трансформатором.

§ 11. Датчики уровня

Датчики уровня используют в системах рудничной автоматики для контроля заполнения различных резервуаров, бункеров, водо­ сборников, скважин и т. п. Наибольшее применение нашли элект­ родные, поплавковые и емкостные датчики уровня.

На рис. 20, а показан электродный датчик уровня, е помощью - которого происходит замыкание электрической цепи при повыше­ нии уровня и касании водой свинцового диска 1. Датчик подвеши­ вается с помощью гибкого кабеля на том уровне, при котором сле­

га