книги из ГПНТБ / Ретман А.А. Автоматика и автоматизация портовых перегрузочных работ учебник

преобразовать в удобный для дальнейшей передачи по каналу

связи параметр (выходной сигнал).

Датчик состоит из воспринимающего контролируемую вели­ чину чувствительного элемента и преобразователя. Например, в термоэлектрическом пирометре, который состоит из термопары и

Если чувствительный элемент только измеряет какую-либо вели­ чину, например термометр расширения, он называется контроль­ но-измерительным прибором. Часто датчиком называют и чув­ ствительный элемент, в котором измеряемая величина одновре­

ки, так как электрические сигналы удобны для передачи на рас­ стояние, а электрическая аппаратура дает возможность непре­ рывного измерения и записи контролируемой величины. Электри­ ческие датчики обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измерения.

Преобразование неэлектрической величины в электрическую может происходить непосредственно и косвенно. В последнем случае измеряемая электрическая величина сначала преобразу­

ползунок (механическое перемещение поплавка преобразуется в

трические и генераторные. В параметрических датчиках контро­ лируемая величина преобразуется в изменение параметра элек­ трической цепи, например в изменение активного сопротивления. Они характерны тем, что отдаваемая ими электрическая энергия выходной величины берется от источников питания, т. е. для их работы необходим' посторонний источник электрической энер­ гии.

Примером параметрического датчика может служить термометр сопротивления, у которого контролируемая величина, т. е. темпе­ ратура, преобразуется в изменение активного сопротивления пла­ тиновой или медной проволочки.

Генераторные датчики преобразуют контролируемую величи­ ну в электродвижущую силу (э. д. с.), т. е. контролируемая вели­ чина сама является источником электрической энергии и дат­ чики этого типа не нуждаются в питании от постороннего источника.

Примерами генераторных датчиков являются термоэлектричес­ кий пирометр, тахогенератор,

20

Датчики могут быть контактными и бесконтактными. В кон­ тактных датчиках воспринимающий элемент соприкасается с контролируемой средой, например термоэлектрический пирометр

датчик удобен для дистанционной передачи показаний контроль­ но-измерительных приборов, так как им можно контролировать угловые перемещения стрелки-указателя. В реостатных датчиках другой конструкции подвижный контакт перемещается вместе с деталью, совершающей поступательное движение в среде; тем самым контролируется линейное перемещение. Пластина датчика в этом случае выполнена не в виде дуги, а прямолинейной.

и толщиной 1—5 мм. К крайним дискам присоединены выводы. Принцип работы заключается в том, что при давлении на стол­ бик уменьшается контактное сопротивление между дисками (оно измеряется). Начальное давление Р, которое сообщается столби­

21

ку, обеспечивает стабильность работы датчика. Такие датчики используют для контроля небольших перемещений и усилий. Не­

ключают к измерительному прибору. Датчик прочно приклеивают к детали 3, которая подвергается деформации. Деформация вос­ принимается датчиком, что изменяет сопротивление проволоки. Следовательно, принцип работы тензодатчика заключается в том, что незначительные перемещения (деформация) преобразуются в изменения активного электрического сопротивления. Сопротив­ ление проволоки не остается постоянным при деформации из-за изменения ее сечения и длины. Такие датчики используют при испытании машин, механизмов, металлоконструкций, а также в

полупроводников в зависимости от температуры измеряемой сре­ ды. Установка для измерения температуры состоит из металли­

металлов, как платина, никель, медь в чистом виде. Ее выводы 5 проходят через колодку 4. Это устройство заключено в защит­ ную трубку 3.

Сейчас более широкое применение благодаря малым разме­ рам и невысокой стоимости получили полупроводниковые термо­ сопротивления или терморезисторы. Они отличаются от металли­

инерционностью, т. е. они срабатывают не мгновенно, а с некото­ рой задержкой. Кроме того, платиновые термометры сопротивле­ ния разрушаются при вибрации.

Индуктивные датчики. В них измеряемая величина преобразу­ ется в механическое перемещение, в результате чего изменяется

якорем, дифференциальные, с разомкнутой магнитной цепью, трансформаторные (с поворотной катушкой) и др.

И н д у к т и в н ы й д а т ч и к с п о д в и ж н ы м я к о р е м (рис. 8, а) является наиболее простым. Он состоит из якоря дат­

22

чика 1, который может поступательно перемещаться относитель­ но сердечника 2, выполненного из . ферромагнитного материала. На сердечник насажена катушка, включенная в цепь переменно­ го тока. При увеличении или уменьшении воздушного зазора 5 изменяется магнитное сопротивление сердечника, изменяется ин­ дуктивность катушки датчика, и катушка реле замыкает или раз­ мыкает свои контакты. Датчики, работающие на этом принципе,

Рис. 8. Индуктивные датчики:

о —с подвижным якорем; б — дифференциальный; в —с разомкнутой магнитной цепью; г — трансформаторный

но с Ш-образным сердечником, применяются в лифтах в качестве

мя симметрично расположенными сердечниками 2 с индуктивными катушками, включенными в плечи измерительного моста. При среднем положении якоря, когда зазоры 6i и б2 равны между со­ бой, индуктивные сопротивления катушек одинаковы. Поэтому в обеих ветвях цепи течет одинаковый по силе ток и измеритель­ ный мост находится в равновесии. При перемещении якоря зазор с одной стороны увеличится, а с другой — уменьшится, и индук­ тивные сопротивления катушек станут различными. Это нарушит равенство токов, измерительный мост выйдет из равновесия и даст соответствующую информацию на прибор П.

И н д у к т и в н ы й д а т ч и к с р а з о м к н у т о й м а г н и т н о й

23

дифференциальному. Датчик состоит из двух одинаковых кату­ шек, расположенных на одной оси, внутри которой поступатель­

тушкой (рамкой), или индукционный трансформаторный преоб­ разователь (рис. 8, г), состоит из бескаркасной катушки или рамки 1, имеющей так называемую вторичную обмотку, которую подключают к контрольному прибору. Катушку помещают сим­ метрично относительно полюсов магнита, состоящего из магнитопровода 2 и первичной обмотки возбуждения 3, питающейся от сети. Ось катушки связывают, например механически, с контро­ лируемым объектом. Когда рамка располагается горизонтально, магнитное сцепление ее с потоком Ф будет мало и в рамке э. д. с.

поворота, что отмечает прибор. Этот датчик удобен для переда­ чи показаний некоторых приборов (манометров, ваттметров) и может быть использован в других целях, например для опреде­

вичную обмотку, подключенную к источнику питания, а на край­ них стержнях находятся вторичные обмотки, включенные после­ довательно и встречно. С них снимается выходное напряжение, которое прямо пропорционально углу поворота секторного якоря. Такие датчики удобны для измерения углов поворота.

Работа м а г н и т о у п р у г о г о д а т ч и к а основана на свой­ стве ферромагнитных материалов изменять свою магнитную про­ ницаемость при упругих деформациях. Такой датчик представля­ ет собой пакет из листов трансформаторной стали с окнами (рис. 9, а), но он может быть выполнен и из сплошного материа­ ла. На среднем стержне находится обмотка, так что магнитопровод не имеет воздушных зазоров. Если к датчику приложить на­ грузку Р, то изменяется магнитная проницаемость материала магнитопровода, а следовательно, и индуктивное сопротивление катушки, что зафиксирует измерительный прибор.

Разновидностью магнитоупругих датчиков является датчик с перекрещивающимися обмотками (рис. 9,6). Он состоит из сер­ дечника 1, в котором имеются четыре сквозных отверстия по диа­ гоналям квадрата. Через одну пару отверстий пропущёна обмот­ ка питания 2 (возбуждающая), а через другую пару под углом 90э — обмотка 3, называемая вторичной, или измерительной. При

24

отсутствии нагрузки Р во вторичной обмотке напряжение не ин­ дуктируется, так как взаимоиндукции между обмотками не будет.

между ними и диэлектрической проницаемости среды, то прин­ цип действия датчиков этой группы основан на изменении одной из этих величин.

Рис. 10. Емкостные датчики:

пластинами может перемещаться подвижная пластина. При умень­ шении расстояния, например 6j, емкость нижней пластины увели­ чится, а верхней — уменьшится, что будет отмечено измерительным прибором. На рис. 10,в и г представлены д а т ч и к и с п е р е ­

25

м е н н о й п л о щ а д ь ю , у них индуктивность изменяется в зави­

помещенного внутрь трубы 2. Каждая из этих деталей покрыта изоляцией 3. Труба и стержень образуют коаксиальный конден­ сатор. Пространство между стержнем и внутренней поверхностью

ление либо исчезновение светового луча. При этом световая энер­

сернистого таллия или селена 2 (полупроводник). На слое нахо­ дятся электроды 3, к которым подводится напряжение. Пластин­

остаются в слое, что уменьшает его сопротивление и увеличивает электропроводность. Такое увеличение электропроводности, назы­ ваемое внутренним фотоэффектом, регистрируется прибором.

баллона 1 (рис. 11,6), внутри которого находится анод 3 в фор­

Под действием света электроны отрываются от катода и замыка­ ют электрическую цепь. Эго явление называется внешним фотоэф­ фектом. Сила тока пропорциональна световому потоку и может быть измерена.

Акустические датчики. Они также принадлежат к группе па­ раметрических. В этих датчиках колебания воздуха воспринима­

26

ются чувствительным элементом, который преобразует звуковую энергию (шум) в электрический ток. Такое преобразование на­ зывается электродинамическим. В акустических датчиках воспри­ нимающим элементом может служить, например, микрофон. Пре­ образованный сигнал усиливается, и после усиления ток приводит в действие электромагнитное реле или регистрирующий прибор. Акустические датчики способны контролировать производствен­ ные процессы, сопровождаемые шумом, например загрузку бун­ кера материалом, движение груза по желобу и др.

Рассмотрим группу генераторных датчиков.

Фотоэлектрические датчики с вентильным фотоэффектом. Их называют также вентильными фотоэлементами. Для этих датчи­ ков не требуется посторонний источник питания.

ложной стенке бункера 3. Радиоактивное излучение из блока 1 через отверстие в стенке бункера воспринимается приемникоминдикатором, вызывая электрические импульсы в электрической схеме установки. Когда бункер загружен до такого уровня, что материал окажется на пути излучения, интенсивность его изменя­ ется и срабатывают приборы автоматики, сигнализируя о степе­ ни заполнения бункера.

Фотоэлектрические и радиоактивные (лучевые) датчики могут быть использованы для управления транспортирующими установ­ ками. Радиоактивные датчики применены в схемах синхрониза­ ции движения разгрузочной тележки на конвейере и погрузочной машины в установке для перегрузки апатитового концентрата в Мурманске. Лучевые датчики используются также в защитных

27

устройствах, в дозаторах, для контроля наличия груза на ленте конвейера, для учета количества перемещаемого груза.

Пьезоэлектрические датчики. Принцип их работы основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Он состоит в том, что при деформации некоторых кристаллических тел на их гранях появ­ ляются электрические заряды. В частности, кристаллы кварца обладают большой прочностью, мало реагируют на изменение температуры среды, что и предопределило применение его в ка­ честве материала для датчиков. Пьезоэффект присущ сегнетовой соли, титанату бария и др.

Г

ш

+ + + +

ь

~ '++++-

шш

Датчик (р.ис. 13) состоит из двух кварцевых пластин 1 в фор­ ме цилиндров или параллелепипедов, которые зажаты между металлическими электродами 2. При приложении нагрузки Р к датчику на противоположных гранях пластин появляются элек­ трические заряды, величина которых не зависит от площади пла­ стин, а пропорциональна действующему усилию. Напряженность создаваемого зарядами электрического поля измеряется. Пьезо­ электрические датчики используют для измерения давления, уси­ лий, вибрации.

Термоэлектрические датчики. К ним относится термоэлектри­ ческий пирометр, который состоит из корпуса 1 с окном (рис. 14). Внутри корпуса помещена термопара из двух проволочек 2, за­ ключенных в керамические изоляционные трубки 3. Нижние кон­ цы проволочек сварены между собой или спаяны, а к верхним подключен измерительный прибор 4. Проволочки изготавливают­ ся из сплавов: хромель-копель, хромель-алюмель, платинородийплатина и других металлов. При нагревании места спая проволо­ чек на их свободных концах возникает термоэ. д. с. Величина ее зависит от материала проволочек и пропорциональна разности температур нагретого и холодного концов. Существуют полупро­ водниковые термопары, которые по сравнению с металлическими дают при одинаковых условиях более высокие величины тер­ моэ. д. с., что и является их преимуществом.

28

Электромеханические датчики. К ним относится тахогенера-

тор, или электрический тахометр. Тахогенераторные датчики широко применяются в схемах автоматического управления элек-

столба жидкости, как в обычном термометре. Вместе с тем высота столба может изменять омическое (рис. 15, а), индуктивное (рис. 15,6) емкостное (рис. 15,в) сопротивление или влиять на интенсивность светового потока (рис. 15, г). Эти датчики называют­ ся также объемными термометрами.

К числу жидкостных датчиков относятся манометрические тер­ модатчики, в основу действия которых положен принцип преоб­ разования изменения объема жидкости или газа в перемещение

Жидкость или газ находятся в баллоне 1, который посредст­ вом капиллярной трубки 2 связан с мембраной, сильфоном 3 или

29