4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

ставится ролик либо кнопка, в зависимости от того, как он будет эксплуатироваться. На рисунке 2.34 представлен такой механизм.

Рабочий механизм «наезжает» на колесико, толкающее стержень вниз. В результате происходит размыкание контактов, которые обесточивают устройство, подключенное к ним. Таким образом, конечный выключатель ограничивает дальнейшее движение механизма, либо что-то включает (например, сигнализацию).

При установке нужно следить за точностью. Если концевой выключатель поставить далеко, тогда механизм может не достать до ролика, а если слишком близко – его попросту может раздавить. На корпусе, как правило, нарисована схема подключения с указанием номеров контактов.

Контактный мостик

Пружина

Рисунок 2.34 – Концевой выключатель с колесиком

Кнопочные, как и рычажные, применяются, главным образом, для включения–отключения освещения в различных помещениях, в которых не требуется постоянное освещение. Такими помещениями могут быть помещения холодных складов, подвалов (там концевиком управляет крышка подвала). Кроме того, концевые выключатели этого типа применяются для контроля положения входного люка на кран-балках (кран невозможно включить, если открыт люк).

Концевые выключатели поплавкового типа используются там, где необходимо контролировать уровень жидкости, наполняющей определенную

71

емкость. Например, такие выключатели с успехом используются для автоматического управления насосами, выкачивающими воду из колодцев, любо наполняющих главный резервуар системы водоснабжения.

Поплавковые выключатели, в основе работы которых лежит принцип работы магнитоуправляемого контакта (геркона), используются, так же там, где нет возможности применить обычные контактные группы (например, в емкостях с горючими и взрывоопасными жидкостями).

Ползунковые концевые выключатели используются для таких устройств, как, например, подъемные ворота, шторы, которые сворачиваются.

Один из примеров, где эти приборы используются – лифтовое хозяйство. Концевые выключатели там стоят практически везде: датчик максимальной и минимальной высоты движения лифта, сигнализация открытия дверей, обрыва каната и так далее.

Шпиндельный концевой выключатель используются как ограничитель хода механизма или как путевой выключатель для циклического управления. Вращающий механизм его служит переключателем контактной группы, установленной внутри. Может применяться на лебёдках, и других вращающих валах с небольшой скоростью. Зачастую оснащён несколькими группами размыкающих и замыкающих контактов.

Пневматический концевой выключатель – это устройство, которое может останавливать подачу сжатого воздуха или другого газа за счёт нажатия на управляющую кнопку или рычаг. При этом существуют ещё одна разновидность данных выключателей, которая срабатывает при достижении определённого давления в системе.

Одна из разновидностей концевых выключателей называются микровыключатели, отличающиеся значительно меньшими размерами и протекающими токами. Принцип действия их аналогичен с обычными. Рабочий ход такого элементы измеряется миллиметрами, и поэтому они применяются с использованием дополнительного рычага, который может быть оснащён небольшим роликом. Поэтому установка его потребует тщательной настройки срабатывания.

2.6.3 Бесконтактные концевые выключатели

Бесконтактные путевые выключатели подразделяются на следующие

типы:

1.Индуктивные.

2.Емкостные.

3.Оптические.

К бесконтактным путевым выключателям предъявляются повышенные требования надежности эксплуатации, потому как работать таким устройствам приходится в тяжелых условиях. Расположение этих устройств находится в рабочей зоне машин и агрегатов, где они могут подвергаться влиянию значительных высоких температур, могут попадать под удар и работать под воздействием сильной вибрации. Также могут находиться под влиянием

72

сильного магнитного поля, на них могут действовать различные, в том числе и агрессивные жидкости, и загрязнения.

Особенно важным является высокое требование повышенной частоты срабатывания, особенно в условиях использования на сложных технологических установках. Подключение таких устройств происходит на основе использования 2-х и 3-х проводной схемы. Питание в случае с 3-х проводной схемы приходит по специальному проводу.

Выключатель представляет собой полупроводниковый преобразователь, управляющий состоянием некой внешней исполнительной цепи в зависимости от места нахождения контролируемого объекта, причем положение объекта определяется без механического контакта с ним датчика.

Индуктивные бесконтактные выключатели

Индуктивные бесконтактные выключатели имеют чувствительный элемент в виде катушки индуктивности с открытым в сторону активной поверхности магнитопроводом. Перед активной поверхностью выключателя образуется электромагнитное поле. При внесении металлического объекта в это поле колебания генератора затухают, демодулированное напряжение падает, триггер срабатывает, коммутационный элемент переключается. Упрощенная функциональная схема выпускаются с расстояниями срабатывания от 1 до 150 мм. Все индуктивные бесконтактные выключатели имеют встроенную индикацию состояния выхода, которая позволяет при эксплуатации оперативно проверить срабатывание бесконтактного выключателя.

Когда на датчик подано питание, в его рабочей зоне действует переменное магнитное поле, и если теперь внести в эту зону металл, то наведенные в этом металле вихревые токи приведут к изменению изначальной амплитуды колебаний генератора, при том величина изменения будет зависеть от расстояния между металлическим предметом и датчиком. Соответствующей величины аналоговый сигнал будет преобразован триггером в логический сигнал, чем определится величина гистерезиса и уровень переключения.

Индуктивные бесконтактные выключатели часто применяют для подсчета металлических объектов и для отслеживания их положения, например, по конвейеру движутся предметы, по крышкам которых ведется их подсчет. Объектами контроля или подсчета для бесконтактных индуктивных выключателей могут служить любые металлические предметы достаточных размеров, например: выступы на валу, фланцы, стальные пластины, головки болтов на соединительной муфте и т. п.

Емкостные концевые выключатели

Емкостные концевые выключатели выявляют проводящие ток и непроводящие материалы, которые находятся в жидком, порошкообразном или твердом состоянии. Выключатель срабатывает при расположении материала друг возле друга на настроенном расстоянии (см. рисунок 2.35).

73

Рисунок 2.35 – Емкостной концевой выключатель:

1 – электроды, 2 – компаунд, 3 – генератор, 4 – корпус, 5 – демодулятор, 6 – триггер, 7 – усилитель, 8 – построечное сопротивление, 9 – индикатор

Принцип действия емкостных концевых выключателей заключается в следующем. Активная поверхность выключателя состоит из 2-х металлических электродов. Их можно считать пластинами конденсатора. Электроды находятся в цепи обратной связи ВЧ генератора, который настроен так, что, когда объекта нет возле активной поверхности, он не работает. При появлении возле активной поверхности объекта, возникает электрическое поле, тем самым, изменяя емкость обратной связи. При этом генератор вырабатывает колебания. Их амплитуда становится больше, когда объект приближается к поверхности.

Емкостные выключатели реагируют на токопроводящие объекты и на диэлектрики. Список разнообразных объектов, на которые реагирует емкостный выключатель, определяется сферой его применения.

Оптических концевые выключатели

Самые распространенные оптических концевые выключатели состоят из инфракрасного светодиода и фоторезистора, которые расположены друг напротив друга. Когда светодиод дает освещение на фоторезистор, ток проходит, когда светодиод блокируется, ток не будет проходить через фототранзистор и в этом случае на выходе будет генерироваться сигнал. Такие концевые выключатели часто устанавливаются в принтерах и сканерах.

2.6.4 Магнитные концевые выключатели

Концевые выключатели магнитного типа (основным элементом которых является магнитоуправляемый контакт), могут применяться практически где угодно. Связано это с тем, что такие выключатели абсолютно безопасны в работе (рабочие контакты их полностью защищены колбой, из которой выкачан воздух).

Принцип работы устройств КВ-1 (однопозиционного, двухканального) и КВ-2 (двухпозиционного, одноканального) линейного перемещения – концевых выключателей заключается в использовании постоянным магнитом печатной платы с двумя герконами, они используются в качестве главных, коммутирующих электрическую цепь – элементов. Кроме платы в корпусе концевого выключателя, устройство содержит клеммную колодку, в главном (первом) корпусе есть два глухих отверстия, в которых ходит шток, для КВ-02 – 2 штока. На штоке крепиться постоянный магнит, магнитопровод и пружина возвратного действия. Действие штока возвратно-поступательное, с его

74

помощью магнит перемещается и осуществляет замыкание – размыкание контактов.

2.7Датчики температуры

2.7.1Общие положения

Датчик температуры – это устройство, которое позволяет измерить температуру объекта или вещества, используя при этом различные свойства и характеристики измеряемых тел или среды. Основой действия температурных датчиков в автоматизированном управлении является изменение температуры в электрический сигнал. Это обуславливает преимущества электрических измерений: результаты легко передавать по сети, скорость передачи может быть достаточно высокой.

Датчики нельзя устанавливать в следующих местах:

–где может происходить вибрация датчика или механическое воздействие на него;

–во взрывоопасной среде;

–в химически агрессивной среде;

–с большими электрическими помехами;

–с большим рабочим давлением, чем указано в технических параметрах. Критерии выбора датчика:

1.Диапазон рабочей температуры.

2.Возможность погружения датчика в объект измерения или среду. Если это невозможно, то лучше выбрать пирометр или термометр.

3.Условия проведения замеров. Если нужно измерять в агрессивной среде, то надо выбирать датчик в коррозионностойком корпусе, или бесконтактного типа. Также следует определить наличие давления, влажности и т. д.

4.Время работы датчика до калибровки или замены. Многие датчики не могут долго и стабильно работать (термисторы).

5.Величина сигнала выхода: существуют датчики, выдающие сигнал по току, или в градусах.

6.Технические данные: стабильность, погрешность, разрешение, напряжение.

По принципу измерения все датчики измерения температуры подразделяются на:

– термоэлектрические (термопары);

– интегральные;

– темрорезистивные (термометр сопротивления);

– акустические;

– пирометры;

– пьезоэлектрические.

75

2.7.2 Термопары

Термопары относятся к классу термоэлектрические преобразователи, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термо ЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо–ЭДС Еt будет зависеть только от температуры t1 рабочего конца.

UВых= Et = С(t1 – t0),

где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары. Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает

8 мВ на каждые 100 °С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2 200 0С.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

Термопара типа ТХА, ТХК, ТПП и пр. состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов, обладающих разными термоэлектрическими свойствами. Спаянный конец, называемый «рабочим спаем», погружается в измеряемую среду, а свободные концы («холодный спай») подключаются к входу измерителей, регуляторов. Если температуры «рабочего» и «холодного спаев» различны, то вырабатывается термоЭДС которая, и подается на прибор. Поскольку термоЭДС зависит от разности температуры двух спаев датчика, то для получения корректных показаний необходимо знать температуру «холодного спая», чтобы скомпенсировать эту разницу в дальнейших вычислениях.

В модификациях входов, предназначенных для работы с термопарами ТХА, ТХК (термопреобразователями сопротивления ДТС типа ТСП и ТСМ, термоэлектрическими преобразователями, датчиками температуры, термосопротивлениями) предусмотрена схема автоматической компенсации температуры свободных концов. Датчиком температуры «холодного спая» служит полупроводниковый диод, установленный рядом с присоединительным клеммником.

Подключение термопар ТХА, ТХК (термопреобразователей сопротивления ДТС типа ТСП и ТСМ, термоэлектрических преобразователей) к датчику температуры (термопреобразователю) должно производиться с помощью специальных компенсационных (термоэлектродных) проводов, изготовленных из тех же материалов. Допускается использовать провода из металлов с термоэлектрическими характеристиками, аналогичными

76

характеристикам материалов электродов термопары в диапазоне температур от 0..100 °С. При соединении компенсационных проводов с термопарами (термоэлектрическими преобразователями, термопреобразователями сопротивления) и прибором необходимо соблюдать полярность.

Во избежание влияния помех на измерительную часть прибора рекомендуется экранировать линию связи прибора с датчиком. При нарушении указанных условий могут иметь место значительные погрешности при измерении.

Преимущества:

простота изготовления;

надёжность в эксплуатации;

дешевизна;

отсутствие источников питания;

возможность измерений в большом диапазоне температур;

возможность измерения малых разностей температур;

возможность работы в агрессивных средах.

Недостатки:

меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения;

наличие значительной тепловой инерционности;

необходимость введения поправки на температуру свободных концов;

необходимость в применении специальных соединительных

проводов.

2.7.3 Датчики температуры

Интегральные датчики температуры отличаются от других типов термодатчиков тем, что работают в диапазоне, обычно ограниченном температурой от –55 до 150 °С. Часть интегральных датчиков температуры имеет указанный диапазон измерения, часть имеет более узкий диапазон, что обусловлено либо используемым типом корпуса, либо сделано для снижения стоимости. Самой главной отличительной особенностью интегральных датчиков по сравнению с другими типами датчиков температуры является их богатая функциональность. Интегральный кремниевый датчик температуры включает в себя термочувствительный элемент – первичный преобразователь температуры и схему обработки сигнала, выполненные на одном кристалле и заключенные в единый корпус. В отличие от использования термопар, в данном случае отсутствует необходимость разрабатывать схему компенсации холодного спая и схему линеаризации выходного сигнала. Также нет необходимости разрабатывать и применять внешние схемы компараторов или АЦП для преобразования аналоговых сигналов в логические уровни или цифровой код на выходе – все эти функции уже встроены в некоторые серии интегральных датчиков температуры.

Датчики температуры NSC можно разделить на пять групп:

–датчики температуры с аналоговым выходом;

–датчики температуры с цифровым выходом;

77

–термостаты;

–датчики температуры с выносным диодом;

–датчики температуры с функциями управления.

Датчики температуры с выходом по напряжению могут иметь различную градуировку – по шкале Кельвина либо по шкале Цельсия. Датчики LM135, LM235, LM335 имеют выходное напряжение пропорциональное абсолютной температуре с номинальным значением температурного коэффициента составляющим 10 мВ/°К. При этом номинальное выходное напряжение при 0°С составляет 2,73 В, и 3,73 В при 100 °С. Обычно эти датчики включаются по схеме, представленной на рисунке 36 а. Третий вывод позволяет осуществлять подстройку точности, для этого используется подстроечный резистор. Температурная погрешность датчика LM135 без использования подстроечного резистора в диапазоне температур измерения –55...150 °С составляет ±2,7 °С, а с внешним подстроечным резистором уменьшается до ±1 °С в рамках всего рабочего диапазона.

( от 4.5В до 10В )

Датчики LM35 и LM45 имеют выходное напряжение, пропорциональное шкале Цельсия (Кт = 10 мВ/°С). При температуре 25 °C эти датчики имеют на выходе напряжение 250 мВ, а при 100 °С на выходе – 1,0 В. Эти датчики могут применяться и для измерения отрицательных температур. Для этого используется согласующий резистор, который включается между выходным выводом и напряжением «ниже земли». Датчик LM50 является «однополярным», потому что он, в отличие от LM35 и LM45, может измерять отрицательные температуры без использования смещения. Этот датчик имеет чувствительность 10 мВ/°С и смещение на выходе 500 мВ (рисунок 36 б). Таким образом, на выходе будет 500 мВ при 0 °С, 100 мВ при –40 °С и 1,5 В при 100 °С.

Рассмотрим функциональный состав датчика этой группы на примере LM75. В состав входит непосредственно сам термочувствительный элемент, дельта-сигма АЦП, двухпроводной цифровой последовательный интерфейс I2C и регистры управления работой (рисунок 2.37). Температура измеряется постоянно, и может быть считана в любой момент времени. Существует возможность использования LM75 в качестве монитора температуры, который

78

следит за ее изменениями и при выходе значения температуры за установленный предел, выдает логический сигнал на выходе – высокий или низкий уровень (знак можно задать). Таким образом, LM75 может являться ядром при построении системы управления температурой. Данные представляются 9-ти битным словом, из них один бит отводится на знак. Таким образом, разрешающая способность составляет 0,5 °С. Погрешность данного датчика в диапазоне температур –25…100 °С составляет ±2 °С, а в диапазоне –55…125 °С составляет

±3 °С.

Преимущества:

компактность, потому они легко встраиваются в усилители, регуляторы, микроконтроллеры и др. электронные приборы;

недороги в производстве;

линейная выходная характеристика;

широкий диапазон напряжений – от 4 до 30 В;

нечувствительность к падению напряжения на длинных линиях передачи сигнала.

Недостатки:

повышенная температурная чувствительность;

невысокая точность по сравнению с другими датчиками; сравнительно низкая рабочая температура – не более 150 °С.

2.7.4 Термометр сопротивления

Термометр сопротивления – датчик, предназначенный для измерения температуры, принцип действия которого основан на зависимости электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводниковых материалов от температуры. При применении в качестве резистивного элемента

79

полупроводниковых материалов его обычно называют термосопротивлением, терморезистором или термистором.

Терморезистор (термистор) – полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его температуры.

Следует заметить, что не все устройства, изменяющие сопротивление с температурой, называются терморезисторами. Например, резистивные термометры, которые изготавливаются из маленьких катушек витой проволоки или из напыленных металлических плёнок, хотя их параметры и зависят от температуры, однако, работают не так, как терморезисторы. Обычно термин «терморезистор» применяется по отношению к чувствительным к температуре полупроводниковым устройствам. Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из полупроводникового материала – спеченной керамики, изготовленной из смеси оксидов металлов. Терморезисторы широко применяются везде, и мы встречаемся с ними каждый день: на них основаны системы противопожарной безопасности, системы измерения и регулирования температуры, теплового контроля, схемы температурной компенсации, измерения мощности ВЧ. Обычно терморезисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, в отличие от большинства металлов и металлических сплавов.

Предполагая в качестве приближения первого порядка, что зависимость между сопротивлением и температурой линейна, тогда:

∆R=k∆T,

где ∆R – изменение сопротивления; ∆T – изменение температуры; k – температурный коэффициент сопротивления.

Термисторы можно разделить на два типа, в зависимости от классификации k. Если k положительно, сопротивление увеличивается с повышением температуры, и устройство называется термистором с положительным температурным коэффициентом (PTC) или позистором. Если k отрицательно, сопротивление уменьшается с повышением температуры, а устройство называется термистором с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Резисторы, которые не являются термисторами, рассчитаны на максимально возможное значение k как можно ближе к 0, так что их сопротивление остается почти постоянным в широком температурном диапазоне.

Вместо температурного коэффициента k иногда используется температурный коэффициент сопротивления. Он определяется как:

Когда ток проходит через терморезистор, он будет генерировать тепло, в результате которого температура терморезистора выше своего окружения. Если термистор используется для измерения температуры окружающей среды, это электрическое отопление может привести к существенной ошибке, если не будет производиться коррекция.

Металлический термометр сопротивления представляет собой резистор, изготовленный из металлической проволоки или металлической плёнки на

80