книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

где w — число витков катушки; S — сечение магнитопровода.

Так как активное сопротивление R катушки незначительно по

линейна только на определенном участке. Линейность нарушается, когда активное сопротивление становится сравнимым с индуктивным. Индуктивные датчики выбирают так, чтобы в пределах зоны регули­ рования характеристика датчика была линейна.

Наибольшее распространение в практике получили д и ф ф е р е н ­ ц и а л ь н ы е и н д у к т и в н ы е д а т ч и к и (рис. 16, в), у кото­ рых входной величиной является смещение якоря относительно сред­ него положения, а выходной — напряжение UH.

Для среднего положения якоря такого датчика 6г = ö2, Uu — 0. При отклонении якоря от среднего положения на выходе датчика появится напряжение UKи будет возрастать по мере увеличения откло­

нения.

Характеристика дифференциального датчика показана на рис. 16, г. Для двух отклонений, одинаковых по величине, но различных по знаку, значения (/,, отличаются только фазами, которые противоположны.

Преимуществом дифференциальных датчиков перед простыми явля­ ются большая чувствительность и значительно меньшая погрешность от колебаний напряжения питания.

Недостатками всех индуктивных датчиков являются сильная зави­ симость их от частоты напряжения питания катушки, невозможность применения на высокие частоты, так как при высоких частотах резко

растут потери на перемагничивание и индуктивное сопротивление обмотки.

40

2 .4 . Е М КО С ТН Ы Е Д А Т Ч И К И

Как известно, емкость конденсатора зависит от формы и геометри­ ческих размеров электродов, от диэлектрической проницаемости и от расстояния между его обкладками.

Измеряемая неэлектрическая величина может непосредственно являться одним из перечисленных параметров конденсатора и, изме­ няясь, менять его емкость.

У емкостных датчиков входной величиной, как правило, являются линейное или угловое перемещение электродов конденсатора, их раз­ меры, конфигурация или диэлектрическая проницаемость, а выходной величиной — электрическая емкость конденсатора.

Рис. 17. Емкостные датчики:

а — плоский; 6 — с угловым перемещением; в — цилиндрический.

Различные примеры емкостных датчиков приведены на рис. 17. Для плоского конденсатора (рис. 17, а) его емкость, как известно, будет равна

пластинами (электродами) конденсатора;

S — площадь пластин (электродов) конденсатора;

X — расстояние (зазор) между пластинами конденсатора.

В этом датчике входной величиной может быть е, S или х, а выходной величиной будет емкость.

Чувствительность такого датчика будет равна

(ІС EyKtS

(2-17)

dx ~~ xz'

На рис. 17, б показан емкостный датчик с угловым перемещением электродов конденсатора, емкость для него будет равна

41

где d — расстояние между пластинами;

S — полная площадь пластин при а — 0; а — угол поворота подвижных пластин.

где е — диэлектрическая проницаемость среды, которой заполняется пространство между электродами.

Чувствительность датчика будет

<2-*»

' 4

Необходимо отметить, что имеется большое число измерительных органов, работа которых основана на емкостном принципе. Разработаны и разрабатываются емкостные датчики для измерения различных пара­ метров: влажности (почвы, зерна, цемента, угля, песка и т. п.), коли­ чественного состава, расхода различных сыпучих материалов, давле­ ний, толщины различных материалов и т. п. В последнее время широкое распространение получают емкостные датчики для измерения различных уровней вещества с цифровым отсчетом результатов изме­ рения, что позволяет передавать их на большие расстояния.

К недостаткам емкостных датчиков относится следующее: 1) мощ­ ность измеренного сигнала невелика, поэтому необходимо иметь уси­ лители для усиления регулирующего сигнала; 2) мощность емкостного преобразователя невелика, поэтому величина емкости составляет де­ сятки или сотни пикофарад; при промышленной частоте не удается полу­ чить значительную мощность, и емкостные датчики обычно питаются от источников повышенной частоты 10 кГц и более; 3) сильное влияние паразитных емкостей (особенно емкостей соединительных проводов относительно земли); паразитные емкости могут оказаться сравнимыми с емкостью датчика. Для устранения этого влияния используют экра­

нированные соединительные провода, а сам датчик экранируют метал­ лическим каркасом.

2.5. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Для измерения неэлектрических величин широко применяются

ф о т о э л е к т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и — ф о т о ­ э л е м е н т ы . Принцип действия фотоэлементов основан на фото­ электрическом эффекте, который представляет собой физическое явле­ ние взаимодействия излучения с веществом чувствительного элемента,

42

в результате чего энергия оптического излучения передается заряжен­ ным частицам вещества.

Различают фотоэлектрические преобразователи с внешним и с внут­ ренним фотоэлектрическим эффектом.

Внешний фотоэлектрический эффект характеризуется эмиссией электронов с поверхности вещества при поглощении им светового по­

няется из светочувствительного слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность колбы. Светочувствительным слоем может быть цезий или сплав сурьмы с цезием.

К промышленным типам фотоэлементов с внешним фотоэффектом относятся фотоэлементы типа: ЦГ (цезиевый газонаполненный арго­ ном), СЦВ (сурьмяно-цезиевый вакуумный) и ЦВ (цезиевый вакуум­ ный). Вольт-амперные характеристики таких фотоэлементов приве­ дены на рис. 18, б. Как видно из характеристик, фотоэлементы ЦВ и СЦВ имеют предел насыщения, потому что при данной освещенности количество выбиваемых свободных электронов является определен­ ной величиной. У фотоэлементов типа ЦГ при увеличении напряжения фототок резко возрастает за счет ионизации газа.

Внутренний фотоэлектрический эффект свойствен полупроводни­ кам. Фотоэлементы, принцип действия которых основан на использо­ вании внутреннего фотоэлектрического эффекта, называются ф о т о ­ э л е м е н т а м и с в н у т р е н н и м ф о т о э ф ф е к т о м .

Внутренний фотоэлектрический эффект характеризуется тем, что под действием светового потока свободные электроны, изменяя свое энергетическое состояние, остаются в веществе. При этом возникают свободные заряды, способные перемещаться внутри вещества, созда­ вая фотоэлектродвижущую силу (на этом принципе построены фото­ элементы с внутренним фотоэффектом) или изменяя электропроводность (на этом принципе построены фотосопротивления).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом часто называют в е н ­ т и л ь н ы м и ф о т о э л е м е н т а м и . Наиболее распространен­ ными вентильными фотоэлементами являются селеновые. На рис. 18, в показаны устройство и схема включения селенового фотоэлемента, а на рис. 18, г — его световые характеристики при различных сопро­ тивлениях нагрузки.

Элемент состоит из тонкой пленки золота /, запирающего слоя 2, селенового слоя 3 и стальной подкладки 4. На границе селена с золо­ том образуется запирающий слой, который, обладая детекторными свойствами, не позволяет электронам, выбитым световым потоком, возвращаться обратно. Световой поток проходит через пленку золота и создает вентильный фотоэффект, при котором электроны из освещен­ ного слоя переходят в неосвещенный слой, отделенный изоляционным запирающим слоем. Вследствие этого возникает разность потенциалов £ ф , которая обусловливает протекание тока / ф в нагрузочном сопро-

43

ф

Рис. 18. Фотоэлементы и их характеристики:

тивлении jRh. Чем больше R lit тем менее линейна световая характери­ стика.

Ф о т о с о п р о т и в л е н и я (рис. 18, д) состоят из тонкого слоя 1 селена или сернистого таллия, нанесенного на решетку 2 из проводников. Электропроводность элемента изменяется при измене­ нии освещенности решетки со светочувствительным слоем. Зависи­ мость фототока / от светового потока Ф, падающего на освещенную поверхность фотосопротивления при постоянном напряжении пита­ ния Uф, показана на рис. 18, е. Эта характеристика нелинейна, что является существенным недостатком фотосопротивлений.

Достоинством фотоэлементов являются простота их устройства, малые габариты, большая чувствительность и малая инерционность. К недостаткам фотоэлементов относится малая величина фототока, что требует применения усилителей; исключение составляют вентиль­ ные фотоэлементы. Фотоэлементы и фотосопротивления находят широ­ кое применение в системах автоматики сельскохозяйственного про­ изводства: для автоматического отключения уличного освещения, как датчики освещенности в теплицах, для измерения температуры нагретых тел (фотоэлектрический пирометр), для определения про­ зрачности жидкости или газов, для подсчета изделий, проходящих по конвейеру, для определения состояния поверхности объекта, для контроля пламени в топках и т. д.

Широкое применение в технике находят фотоэлектронные умножи­ тели, которые позволяют получить фототок большей величины, а сле­ довательно, более высокую чувствительность.

2.8. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Измерение температуры нагретого тела или какой-либо среды можно производить различными приборами, которые выполняют роль датчиков температуры в системах автоматики.

Широкое применение в практике находят контактные термометры, термометры сопротивления, термопары, полупроводниковые термо­ сопротивления, термостаты, биметаллические терморегуляторы и др. В датчиках температуры используются различные свойства веществ или материалов, изменяющиеся при изменении температуры: линейное или объемное расширение, коэффициент температурного сопротивления,

с капилляром, заполненная ртутью. В ампулу впаиваются два кон­ такта: один из них впаян в капилляр снизу и соединен со столбиком ртути (рис. 19, а), второй (подвижный контакт) расположен сверху и мо­ жет перемещаться в капилляре при помощи магнитной головки, рас­ положенной над термометром (на рисунке не показана). При вращении головки подвижный контакт будет вращаться и перемещаться вверх или вниз. О положении подвижного контакта в капилляре судят по указателю на вспомогательной шкале прибора, каждому положению

45

подвижного контакта соответствует определенная величина сопро­ тивления. Контактный термометр является датчиком двухпозицион­ ного действия, пределы регулирования температуры от —30 до +100 °С и выше. В схемах автоматики контактные термометры применяются, как правило, с промежуточными реле, так как разрывная мощность контактов термометра составляет 2 Вт при силе тока 0,2 А.

Рис. 19. Датчики температуры:

а — контактный термометр; б — манометрический; в — биметаллический; г — тер­ мопара; д — температурная характеристика термосопротивления.

Манометрические термометры. Принцип действия этих приборов основан на изменении давления газа или насыщенного пара низкокипя­ щей жидкости в замкнутой системе при изменении температуры. За­ мкнутая система (рис. 19, б) состоит из баллона 1, погружаемого в из­ меряемую среду, соединительного капилляра 2 и манометра 3, соеди­ ненного через систему рычагов со стрелкой 4 измерительной шкалы 5. При достижении стрелкой предельных отклонений температуры про­ изойдет замыкание контактов 6, и в системе автоматики появится регу­ лирующий сигнал.

Датчики манометрического типа позволяют осуществлять визуаль­ ный контроль за температурой, причем шкала датчика может быть уда­

46

лена от контролируемого объекта на значительное расстояние (длина капилляра может быть до 40 м). Жидкостные манометрические датчики заполняются ртутью, ацетоном, эфиром, спиртом и их соединениями, а газовые — азотом и инертными газами.

Погрешность измерения датчиков составляет 1—2,5%, пределы из­ мерения ограничиваются температурами замерзания и кипения рабо­ чей жидкости. Недостатками таких датчиков являются значительная инерционность и повышенная чувствительность к вибрации и толчкам, которые вызывают размыкание контактов и «дергание» всей системы автоматики. Вследствие большой мощности контактов манометри­ ческие датчики можно применять в схемах автоматики без проме­ жуточных реле для управления магнитными пускателями исполни­ тельных механизмов.

Б им еталлические д а тч и ки . Измерительным органом этих датчиков является спай из двух полосок металлов с различными температур­ ными коэффициентами расширения. При изменении температуры из­ мерительный элемент деформируется, изгибается, причем степень де­ формации пропорциональна температуре. Изгиб пластинки происхо­ дит в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом рас­ ширения. На рис. 19, в показан биметаллический датчик, у которого деформация биметаллической пластинки используется для освобожде­ ния пружины, воздействующей на размыкание или замыкание кон­ тактов. Пружина применяется для резкого замыкания и размыкания контактов. Она отсутствует в простейшем биметаллическом датчике, что приводит к «дерганию» системы автоматики.

В биметаллических датчиках температуры ДТКМ с пределами регу­ лирования от —30 до +50 °С и разрывной мощностью контактов 50 Вт для резкого включения контактов применяются постоянные магниты, которые резко притягивают пластинку после того, как при определен­ ной температуре она сдеформируется на определенную величину.

Возможные пределы рабочих температур для биметаллических дат­

тивления основан на использовании свойств металлических провод­ ников менять свое сопротивление при изменении температуры. Наи­ большее распространение получили термометры с платиновыми и мед­ ными преобразователями.

Платиновые термометры сопротивления применяются для измере­ ния температур от —183 до +500 °С, а медные — не выше 100 150 °С, так как при более высоких температурах медь заметно окисляется.

В платиновых термометрах сопротивления применяется проволока без изоляции, наматываемая на каркас из слюдяных пластин; в медных используется проволока, изолированная эмалью или шелком, которая наматывается на каркас из пластмассы или керамики.

Пластина с намотанной на нее проволокой зажимается между двумя более широкими пластинами (из того же материала), которые служат для изоляции проволоки от арматуры. Весь пакет из пластин

47

вставляется в алюминиевую трубку (чехол), защищающую обмотку от механических повреждений.

Величина сопротивления проволоки термометра зависит от темпе­ ратуры окружающей среды и определяется по формуле:

Термометры сопротивления работают при малых токовых нагруз­ ках, чтобы тепло, выделяемое при протекании тока по проволоке термо­ метра, было возможно малым по сравнению с теплом, получаемым от среды с измеряемой температурой.

Поскольку интенсивность расхода тепла при этом зависит от многих факторов (геометрических размеров и формы проводника и арматуры, к которой кренится проводник, состава, плотности, теплопроводности окружающей среды, скорости перемещения и т. п.), термометры сопро­ тивления могут применяться и для измерения других величин — ско­ рости, плотности и состава газовой или жидкой среды.

Полупроводниковые термосопротивления. Полупроводниковые тер­ мосопротивления, или терморезисторы (ПТР), имеющие температурный коэффициент в 8—10 раз больший, чем у металлов, в последнее время получили широкое распространение в системах автоматики регулиро­ вания температуры.

Основной характеристикой терморезисторов является их темпера-• турная характеристика, выражающая зависимость сопротивления от температуры. Эта зависимость в рабочем диапазоне температур опре­ деляется соотношением

в

(2-23)

R, = Ае т,

где Rt — сопротивление при измеряемой температуре;

Т— температура, К;

Аи В — коэффициенты, постоянные для данного сопротивления. Значение коэффициентов А и В можно определить из следующих

выражений:

48

В качестве R(l используется обычно сопротивление терморезистора при 20 °С (Д20), которое называется нормальным сопротивлением. В качестве R^ удобно взять сопротивление, соответствующее 100°С (Rm). В этом случае выражение (2-24) приводится к виду:

значительны, что обеспечивает высокую точность измерения небольших отклонений температуры.

Температурная характеристика полупроводникового термосопро­ тивления приведена на рис. 19, д. Промышленность выпускает десятки типов термосопротивлений, предназначенных для использования в раз­ личных целях. Для регулирования и измерения температуры в преде­ лах от —70 до 4-120 °С могут использоваться медно-марганцевые (ММТ) и кобальто-марганцевые (КМТ) терморезисторы.

При использовании полупроводниковых термосопротивлений, как и при использовании термометров сопротивления, в качестве измери­ тельных схем пользуются мостовыми измерительными схемами.

Термоэлектрические термометры — термопары. Принцип действия термоэлектрических термометров (рис. 19, г) основан на том, что при нагреве одной из точек соединения двух различных металлов в их цепи появляется термо-э. д. с., определяемая разностью температур двух мест соединения проводников,

Горячий спай термопары 1 помещается в среду, температура кото­ рой измеряется, холодный спай 2 (свободные концы термопары) — в среду с постоянной температурой, равной нулю (например, в таю­ щий лед). Термо-э. д. с. будет однозначно зависеть от температуры горячего спая, т. е. температуры измеряемой среды. Шкала прибора, измеряющего термо-э. д. с., градуируется непосредственно в гра­ дусах.

Для измерения температур наибольшее распространение получили термопары: хромель-копелевые и хромель-алюмелевые. Находят при­ менение термопары на константановой основе: медь-константан, железоконстантан и нихром-копстантан.

49