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

дует включать насос. После присоединения кабеля к болту 2, по­ лость А датчика заливается кабельной массой.

Поплавковые датчики уровня состоят из поплавка и элементов механической связи, передающей механические воздействия от по­ плавка к контактам. Поплавки изготовляют из металла, пластмассы и других материалов в виде цилиндра, шара, чечевицы и др.

Рис. 20. Датчики уровня:

а — электродный: / — свинцовый диск, 2 — болт; 6 — сильфонный: I — валик, 2 — силь­ фон, 3 — пружина, 4 — трос, 5 — двнжок потенциометра

Для телеизмерения уровня воды в водопонизительных скважи­ нах применяют датчики с упругим чувствительным элементом — сильфоном (рис. 20, б). Сильфон 2 соединен гибким тросом с движ­ ком 5 потенциометра. Один конец троса соединен с валиком 1 по­ тенциометра, а другой прикреплен ко дну сильфона. При повыше­ нии уровня воды сильфон деформируется и, сжимая пружину 3, передвигает движок потенциометра, сопротивление которого изме­ няется пропорционально величине деформации сильфона, т. е. уров­ ню жидкости.

Емкостные датчики уровня, применяющиеся в горном деле, рабо­ тают по принципу измерения емкости системы электрод — среда (рис. 21). Электроды 1 датчика крепятся к резервуару, в котором находится указанная среда. При удалении или приближении среды к электроду датчика изменяется его электрическая емкость, преоб-

разуемая в электрический сигнал, который усиливается усилителем и подается на исполнительный орган системы контроля 2.

Достоинствами емкостных датчиков являются отсутствие кон­ тактов, высокая чувствительность, малые размеры и вес, малая инерционность. Недостатки их — малая выходная мощность, что требует использования усилителя или высокочувствительного реле; потребность в источнике напряжения повышенной частоты; влияние на рабо­ ту датчика различных паразитных ем­ костей.

§ 12. Радиоизотопные и акустические датчики

В радиоизотопных датчиках исполь­ зуют, главным образом, гамма-лучи, которые не имеют электрического за­ ряда и вследствие этого не взаимодей­ ствуют с электрическими и магнитны­ ми полями и обладают большой прони­ кающей способностью. Это позволяет

контролировать процессы, происходящие в закрытых сосудах, до­ ступ внутрь которых нежелателен или неосуществим, а также в по­ мещениях и выработках с крайне тяжелыми условиями (высокая влажность, интенсивный капеж, грязь, пыль, химически активная среда и т. п.). Достоинство радиоизотопных датчиков — также в отсутствии механического контакта с контролируемым объектом. Недостаток их — необходимость достаточно сложной защиты людей от вредного влияния радиации. Радиоизотопные датчики применя­ ют в устройствах контроля загрузки бункеров, для бесконтактного контроля уровня в закрытых емкостях, для контроля наличия ма­ териала, в измерителях плотности пульпы и др.

Возможными направлениями применения в горном деле радио­ активных излучений являются также счет числа подъемов, вагоне­ ток и др.; определение зольности, влажности угля, химического состава воздуха и угля; автоматизация породоотборки; определение скрытой границы уголь-— порода при автоматизации работы ком­ байнов; контроль забивки течек и др.

Гамма-лучи ионизируют воздух и другие газы, делая их электро­ проводными, что позволяет обнаруживать лучи, измерять их ин­ тенсивность и энергию. Источниками гамма-лучей являются есте­ ственные и искусственные радиоактивные .вещества — радиоактив­ ные изотопы. Наибольшее применение для датчиков получил ра­ диоактивный изотоп кобальт-60 (Со60), гамма-излучение которого обладает значительными проникающими свойствами, а сам изотоп дешев.

Основными элементами радиоизотопных датчиков являются: гамма-излучатель, чувствительный элемент и электронный усили­ тель.

Излучатель вместе с источником излучения создает поток гаммалучей требуемой интенсивности, конфигурации и направления. Для защиты обслуживающего персонала от вредного физиологического воздействия гамма-лучей радиоактивный препарат помещают в за­

тель с формирующим каналом круглого сечения. Излучатель состоит из металлического корпуса 2 ,внутри которого помещена ампула 1 с радиоактивным пре­

паратом. Ампула расположена в гнезде бронзового вкладыша 3, вдоль оси которого просверлен радиальный формирующий канал. Толщина стенок согласно правилам безопасности составляет 45 мм.

Чувствительный элемент служит для обнаружения гамма-излу­ чения и измерения его интенсивности. В чувствительных элементах используется способность гамма-лучей вызывать фотохимические реакции, ионизацию газов и люминесценцию.

В качестве чувствительного элемента широко применяют газо­ разрядные счетные трубки или сцинтилляционные счетчики. Газо­ разрядный счетчик выполняют в виде цилиндрического конденсато­ ра, к пластинам которого приложена разность потенциалов. При по­ падании у-лучей на счетчик ©следствие ионизации газа внутри труб­ ки появляются ионы и свободные электроны, которые при движении

в результате удара создают новые_свободные электроны и ионы.

галогенные счетчики, наполненные смесью инертных газов — аргона и неона с небольшой примесью галогенов — хлора и брома); в счетчиках второго типа гашение осуществляется при включении со­ противления большой величины последовательно со счетчиком.

На рис. 22, б изображено устройство чувствительного элемен­ та — счетчика СТС-5 с галогенным наполнением. Счетчик состоит из стеклянного баллона 4, в который вставлен тонкостенный цилиндр — катод 3 из нержавеющей стали, соединенный с цоколем 1. Анод 5 изготовлен в виде нити, один конец которой припаян к цоколю 6,

авторой натягивается пружиной 2.

Всцинтилляционных счетчиках используется явление возникно­ вения в фосфоре под действием ядерных излучений слабых свето­ вых вспышек (сцинтилляций).

На рис. 22, в показана схема установки радиоизотопного дат­ чика.

Акустические датчики преобразуют внешние акустические сиг­ налы в электрические. Чувствительным элементом датчика является мембрана микрофона, с помощью которой изменения силы звука или его тональности преобразуются в соответствующие изменения активного сопротивления (угольный микрофон), индуктивности (те­ лефон или громкоговоритель), э. д. с. (пьезоэлектрические и элект­ родинамические микрофоны). Выходной сигнал датчика иногда используется для непосредственного измерения, но обычно он пред­ варительно усиливается. Широко применяют акустические ультра­ звуковые датчики, определяющие величину затухания упругих колебайий или время прохождения ими определенного участка пути в измеряемой среде.

На рис. 23 показано'устройство катушечного электродинамиче­ ского датчика. Катушка 1 размещена в воздушном зазоре постоян­ ного магнита. 2 и прикреплена к мембране 3, которая колеблется

под влиянием звука.

Акустические датчики применяют для контроля тонкости из­ мельчения, наличия материала на транспортерных лентах в местах его пересыпки, диагностики состояния горных машин акустически­ ми методами, в схемах расходомеров и пр.

УСИЛИТЕЛИ, ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ

И РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

§13. Общие сведения

Вбольшинстве случае® мощность на выходе датчиков и сравни­ вающих устройств недостаточна для управления исполнительными

устройствами. Поэтому между сравнивающим и исполнительным устройствами, а иногда между датчиком и сравнивающим устрой­ ством, включают усилитель. Наряду с функцией усиления, в некото­ рых случаях усилители преобразуют выходной сигнал датчика в другой, более удобный для дальнейшего использования. Усилители выполняются либо как самостоятельные элементы, либо входят в состав исполнительных элем'ентов. Рассмотрим основные параметры усилителей.

Коэффициент усиления определяется отношением приращений выходной и входной величин:

k = ^ L .

Ах

В зависимости от усиливаемого параметра различают коэффи­ циенты усиления по мощности kP, по току kIt по напряжению kv:

приращения входных мощности, тока, напряжения.

Если коэффициент усиления одного усилителя недостаточен, то последовательно с ним включают еще один или несколько усили­ телей. При этом выходной-сигнал предыдущего усилителя подает­ ся на вход последующего. Такое соединение усилителей называют каскадным. В многокаскадных схемах общий коэффициент усиле­ ния k равен произведению коэффициентов усиления отдельных кас­ кадов:

k — kftz. . . kц.

Статическая характеристика усилителя y =f ( x) может быть плавной или ступенчатой, т. е. релейной (см. гл. IV). В качестве усилителей релейного действия могут использоваться контакторы и реле.

Выходная мощность — полезная мощность, выделяемая в нагру­ зочном сопротивлении:

где / выю и вЫх— соответственно сила тока и напряжение на выхо­ де усилителя; ZB— сопротивление нагрузки; <рн — угол сдвига ф.аз тока и напряжения в нагрузочном сопротивлении (для цепи пере­ менного тока).

Коэффициент полезного действия

где Рппт — общая мощность потребляемой усилителем энергии от источника питания.

Усилители различают по величине выходной мощности (от долей ватта до десятков киловатт), по виду энергии (электронные, элект­ ромашинные, пневматические, гидравлические, комбинированные), по величине коэффициента усиления, по форме статической харак­ теристики и т. д.

В системах рудничной автоматики наиболее часто применяют электромашинные, магнитные, электронные и полупроводниковые усилители. В последние годы все шире стали использовать гидрав­ лические и пневматические, а также электрогидравлические и электропневматические усилители, необходимые для управления гид­ равлическими и пневматическими исполнительными устройствами.

§ 14. Электромашинные усилители

Электромашинные усилители (ЭМУ) могут быть с продольным и поперечным полем. ЭМУ с продольным полем широкого приме­ нения не получили.

ЭМУ с поперечным полем (рис. 24) представляет собой двухма­ шинный агрегат, состоящий из приводного электродвигателя, ско­ рость вращения которого постоянна, и специального генератора постоянного тока с независимым возбуждением. В качестве привод­ ного обычно используют асинхронный двигатель с короткозамкну­ тым ротором. Генератор и приводной двигатель, как правило, объе­ диняют в один агрегат. Входной сигнал подается в обмотку не­ зависимого возбуждения ОНВ. ЭМУ имеет обычно несколько обмоток возбуждения, что позволяет суммировать входные сигналы.

Рассмотрим процесс усиления мощности. На якоре ЭМУ разме­ щены две пары щеток, оси которых сдвинуты на 90 эл. град. Попе­ речные щетки 1—1 замкнуты накоротко. При подаче в обмотку воз­ буждения ОНВ входного сигнала (тока іу) появится продольный

магнитный поток Фь Под действием этого потока в обмотке вра­ щающегося якоря будет индуктироваться э. д. с.:

Л = «і/Я ,. где Ru — сопротивление якорной обмотки.

Током R короткозамкнутой обмотки создается поперечный не­ подвижный магнитный поток Ф2 — поток реакции якоря, сдвинутый

выпускают мощностью от 1 до 11 кет на напряжение 60, 115 и 230 s

счислом обмоток управления от 2 до 4.

чЭлектромашинные усилители применяют в схемах автоматиза­

ции рудничных подъемных установок.

Недостатками ЭМУ являются сравнительно низкий к. п. д., составляющий около 85%, наличие вращающихся частей и коллек­ тора, что вызывает потребность в тщательном уходе.

§ 15. Магнитные усилители

Принцип действия магнитного усилителя основан на свойстве дросселя переменного тока изменять свое индуктивное сопротивле­ ние при подмагничивании его постоянным током.

Схема магнитного усилителя показана на рис. 25. Магнитопровод усилителя МУ состоит из двух сердечников, на каждом из ко­ торых находится рабочая обмотка переменного тока шР) включен­ ная в цепь нагрузки Zn. Обмотка постоянного тока аду, выполняю­ щая функции управляющей, охватывает оба сердечника, благодаря чему в ней не наводится переменная э. д. с. На обмотку wy подает­ ся управляющее напряжение Uy.

Индуктивность рабочей обмотки определяется по формуле:

где wp — число'витков рабочей обмотки; р, — абсолютная магнит­ ная проницаемость сердечника, гн/м; S — площадь поперечного се­ чения сердечника,-л* I— длина средней силовой линии, м.

На рис. 26, а показан график зависимости магнитной проницае­ мости р сердечника дросселя от величины тока управления (под­ магничивания) /у. Так как индуктивность Lp пропорциональна маг­ нитной проницаемости, то этот же график будет являться графиком зависимости Lp = f(/y) при соответствующем масштабе для Lp. Затрачивая незначительную мощность при изменении постоянного тока в обмотке управления доу, можно менять индуктивное сопро­ тивление рабочей обмотки и силу тока /д, управляя, таким образом., большой мощностью в нагрузке.

На рис. 26, б изображена характеристика управления магнитно-/ го усилителя — зависимость /и= /( /у). В усилителях с обратной связью характеристика несимметрична — на правой ветви коэффи­ циент усиления -выше. При изменении направления (полярности) то­ ка управления меняется только величина така нагрузки. Такой уси­ литель называется однотактным.

Для того чтобы можно было менять фазу тока нагрузки на 180° при изменении полярности тока управления, применяют двухтакт­ ные магнитные усилители, состоящие из двух дроссельных магнит-

Рис. 26. Характеристики магнитных усили­ телен;

а — график д=[(/у ) для дроссельного магнитного

усилителя, б— характеристика управления маг­ нитного усилителя с обратной связью

ных усилителей, снабженных дополнительной обмоткой смещения кусм- При подаче напряжения Ucм по обмотке смещения протекает ток и характеристика управления сдвигается вправо или влево в за­ висимости от направления тока.

Рис. 27. Двухтактный магнитный усилитель:

нагрузка; R c u — регулировочный резистор смещения

Двухтактные магнитные усилители собираются по дифферен­ циальной (рис. 27, а), мостовой или трансформаторной схеме. Так как ток нагрузки / и равен разности токов /ні и /н2, а ток управле-

ния, положительный для одного усилителя, является отрицатель­ ным для другого (и наоборот), то для получения характеристики управления двухтактного усилителя необходимо характеристику управления одного из однотактных магнитных усилителей, входя­ щих в состав двухтактного, повернуть на 180° и ординаты характе­ ристик сложить (рис. 27, б ).

Постоянная времени Т магнитного усилителя, характеризующая его инерционность, определяется по формуле:

4 / ® р Я у

где иіу и шр — число витков соответственно обмотки управления и рабочей обмотки; Ry и Rn— активное сопротивление соответственно обмотки управления и нагрузки; / — частота питающего напря­ жения.

Учитывая, что при различных вариантах выполнения обмоток усилителя намагничивающие силы обмоток, не должны изменяться, т. е. 7Hœ)p = const и /yayy= const, получим:

где k — коэффициент пропорциональности; k с = —------- коэффи- /у2 Ry

циент усиления магнитного усилителя.

В некоторых схемах рудничной автоматики для уменьшения инерционности применяют магнитные усилители повышенной час­ тоты, получающие питание от специального преобразователя час­ тоты. С этой же целью вместо одного усилителя часто используют каскад, состоящий из промежуточного и основного усилителей, сое­ диненных последовательно.

Сердечники магнитных усилителей большой мощности (дроссе­ лей насыщения) изготовляют из холоднокатаной стали, а усилите­ лей малой мощности — из пермаллоя.

Промышленностью выпускаются магнитные усилители: серии ТУМ с тороидальным сердечником, мощностью 2,5—50 вт, напря­ жение переменного тока 36, 127 и 220 в, число обмоток управления до 6; серии УМ с Ш-образным сердечником, мощностью 24— 840 вт; силовые типа УМС мощностью 0,755—3,9 кет.

Магнитные усилители применяются в схемах автоматизации приводов шахтных подъемных машин и экскаваторов.

Достоинством магнитных усилителей является высокая надеж­ ность, отсутствие контактов и подвижных частей, простота обслу­ живания. Недостаток их — значительные размеры, вес и инерцион­ ность.