Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы автоматики. Учебное пособие
.pdf
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
Недостатки: работа только на переменном токе; чувствительность к изменению частоты питающего напряжения; подверженность влиянию различных помех, избавиться от которых в определенной степени позволяет релейный режим.
Фотоэлектрические преобразователи и датчики
В фотоэлектрических преобразователях две основные части:
источник света и приемник света (иногда в качестве источника
используется естественное излучение – от нагретой детали, пламени, солнца и т. п.). В качестве источников света от инфракрасного до ультрафиолетового используют различные излучатели.
Лампы накаливания являются универсальным источником
света, так как излучают в большом диапазоне частот, но используются редко из-за больших габаритов, низкой надежности,
малого количества энергии в небольших телесных углах. Кроме
того, они не являются точечным источ н и ком све та, что усложняет устройство излучателя.
В светодиодных излучателях используют явление излучения
света p–nпереходом при прохождении через него прямого тока.
Яркость свечения линейно зависит от плотности тока, цвет – от
материала полупроводников. Светодиоды излучают в достаточно
широком диапазоне частот, но основная доля энергии излучения
приходится на небольшую зону частот, определяющую цвет излучения. К светодиодным излучателям относят лазерные свето
диоды, создающие когерентное излучение, при котором светодиод
излучает практически на одной частоте. В светодиодных излучателях излучающая поверхность настолько мала, что ее можно
считать точкой. Это сильно упрощает их оптику.
Фотоприемники работают на основе внутреннего или внешнего фотоэффекта. При внутреннем фотоэффекте проводимость
материала зависит от освещенности. К приборам с внутренним
фотоэффектом относят фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы. Использование этих приборов возможно с помощью специальных измерительных схем (например, мостовой схемы).
Фоторезисторы обладают высокой чувствительностью, однако их фототок зависит от температуры. Они достаточно инерционны.
Фотодиоды, как правило, работают в фотоэлектрическом режиме, когда к фотодиоду прикладывается обратное напряжение
и при увеличении освещенности увеличивается обратный ток.
51
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
В фототранзисторах осв ещен и е ба з ы увел и ч и в а ет ил и у м ень -
шает ток через транзистор.
Фотодиоды и фототранзисторы обладают низкой инерцион-
ностью (по сравнению с фоторезисторами).
Приборы с внешним фотоэффектом (обычно их называют
фотоэлементами) выполнены в виде баллона, внутри которого
имеется инерционный газ под низким давлением. В баллоне размещены анод и фотокатод, подключенные к источнику питания
через нагрузку. Свет выбивает из фотокатода электроны, которые
движутся к положительному аноду. По пути они сталкиваются с
молекулами газа, выбивая из них вторичные электроны, которые
так же дви жу т ся к анод у. В результате создается фототок, пропорциональный освещенности, который проходит через нагрузку.
К приборам с внешним фотоэффектом относят и фотоэлек
тронные умножители (ФЭУ), в которых имеются промежуточные электроды (диноды), являющиеся анодами для предыдущей
ступени и катодами для последующей. Напряжение на каждом
последующем диноде выше напряжения на предыдущем. Вследствие этого анодный ток ФЭУ в миллионы раз выше тока, выбиваемого из фотокатода.
Фотоэлектрические преобразователи могут работать как в
аналоговом, так и в дискретном режиме. Большинство промышленных фотодатчиков работают с приемниками внутреннего фотоэффекта. В дискретном режиме работают следующие датчики:
а) датчики скорости и перемещений;
б) датчики положения (в том числе и кодовые);
в) муаровые (растровые) датчики перемещений;
г) датчики задымленности;
д) датчики влажности;
е) датчики размеров деталей и др.
Датчики типов а), б) и е) выполнены в соответствии со схемой, представленной на рисунке 27.
Источник
света
а б
Рис. 27. Фотоэлектрический датчик: а – структурная схема; б – диафрагма
52
Фото-
приемник
Диафрагма
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
Источник света создает луч, который попадает на фотоприемник. Перемещающийся объект заслоняет или открывает луч,
что фиксируется фотоприемником. В датчиках скорости таким
объектом является вращающаяся диафрагма (см. рис. 27, б), связанная с перемещающимся объектом. Число импульсов в единицу времени, вырабатываемое фотоприемником, пропорционально скорости. Общее число импульсов пропорционально перемещению.
Для опреде ления положен ия движ ущег ося об ъ ек т а та кие датчики могут быть установлены в тех точках (в том числе и в конечных), где необходима фиксация объекта. Каждая позиция, в
которой необходима его фиксация, может быть обозначена определенным кодом. Тогда в этой позиции устанавливают несколько
датчиков, создающих код позиции.
Датчики типов г), д), е) срабатывают при выполнении условия прохождения луча. В датчиках задымленности наличие дыма
воспринимается как отсутствие луча; в датчиках влажности луч
отражается от зеркальца, которое при точке росы покрывается
влагой и теряет способность отражать свет; датчики размеров
срабатывают, когда размер выходит за пределы допуска (или приближается к нему).
Муаровые датчики позволяют измерять очень малые перемещения (порядка 1 мкм) за счет наличия подвижного и неподвижного растров, через которые проходит свет, образуя движущиеся в соответствии с движением подвижного растра муаровые
полосы, лежащие так далеко друг от друга, что легко подсчитать
их количество, проходящее через датчик.
Для точных измерений используют аналоговые датчики. Для
этого применяют фотоэлементы, которые имеют высокую чувствительность и линейную характеристику. По интенсивности
сигнала определяют, какая доля площади чувствительного элемента перекрыта.
Фотоэлектрический датчик иногда используют в комплекте
с реле постоянного тока. В этом случае их называют фотореле.
На рисунке 28 в качестве фотодатчика идет фоторезистор R1, а в
качестве усилителя – транзистор VT1. Следует заметить, что для
обеспечения необходимого тока и достаточной крутизны фронтов в качестве усилителя часто используют несколько транзисторов или операционный усилитель.
53
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
R1
VT1
K1
+
R2
Рис. 28. Фотореле
K1.1
Преобразователи Холла
Преобразователи и датчики Холла работают на основе эффекта Холла, который заключается в том, что ток I, текущий в
проводнике, помещенном в магнитное поле H, отклоняется в на-
I
Н
правлении, перпендикулярном вектору напряженности магнитного
поля. Это показано на рисунке 29,
где вектор тока I изобра жен толстой
линией, вектор напряженности H –
тонкой линией, а отклонение зарядов от вектора тока под действием
магнитного поля – кривыми стрелками. Вследствие эффекта Холла
Рис. 29. Преобразователь Холла
на боковых поверхностях тела, в
котором протекает ток, возникают
заряды, создающие ЭДС, пропорциональную си ле тока I и напряженности H магнитного поля.
Эффект Холла в проводниках незаметен, так как заряды
противоположного знака притягиваются друг к другу и взаимоуничтожаются. В полупроводниках эффект легко обнаруживается вследствие односторонней проводимости p–n-перехода, который располагают параллельно вектору тока.
На основе эффекта Холла изготавливают датчики Холла,
которые могут быть аналоговыми и импульсными. Импульсные
датчики Холла выпускаются промышленностью в виде микросхем или микросхем, встроенных в конструкцию соответствующего назначения. Большинство из них реагирует на изменение
магнитного поля и имеет дискретный сигнал 1/0. Импульсные
54
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
датчики находят применение в датчиках скорости (пути), датчиках угловой скорости, кодовых датчиках положения (путевые и
конечные переключатели) и т. д.
Аналоговые датчики используют для измерения величины
магнитного поля или тока. Их могут применять для измерения
многих величин, изменение которых влияет на магнитное поле
вблизи датчика или силу тока через датчик.
Тахогенераторы
Тахогенераторы – это миниатюрные электрические машины,
создающие ЭДС, пропорциональную угловой скорости. Бывают
тахогенераторы постоянного и тахогенераторы переменного тока.
В тахогенераторах постоянного тока, выполненных как
обыч ный генератор, для возбуждения используется постоянный
магнит. Поэтому магнитный поток Ф возбуждения генератора
постоянный и ЭДС генератора E = kωФ зависит только от угловой скорости ω и при этом пропорциональна ей.
В тахогенераторах переменного тока (рис. 30) имеется короткозамкнутый ротор, который для уменьшения момента инерции
выполнен в виде тонкостенного алюминиевого цилиндра, и две
взаимоперпендикулярные обмотки статора. Одна из них (В) яв-
ляется обмоткой возбу ж дения, она подк л ючается к сети переменного тока и создает пульсирующий магнитный поток Фd, в котором вращается ротор.
Если ротор вращается с частотой ω, в нем
индуцируется ЭДС, пропорциональная Фd
и ω. Эта ЭДС наводит в роторе ток, магнит-
ный поток которого проходит перпендику-
B
Ф
d
∼U
Г
лярно Фd по оси обмотки Г, возбуждая в ней
свою ЭДС, пропорциональную магнитному
E
потоку ротора. ЭДС Е, возбуждаемая в об-
мотке Г, имеет частоту сети и пропорциональна скорости вращения ω.
Рис. 30. Тахогенератор
переменного тока
В тахогенераторах переменного тока нет коллектора, что увеличивает надежность, исключает искрение и уменьшает трение.
Тахогенераторы постоянного тока имеют следующие преимущества:
y напряжение при неподвижном роторе равно нулю. В тахо-
генераторах переменного тока на обмотке Г за счет потоков рассеяния некоторое напряжение наводится;
55
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
y с постоянным напряжением легче работать;
y характеристика существенно лучше.
Измерение скорости с помощью тахогенераторов зависит от
сопротивления нагрузки: чем оно больше, тем точнее результат
измерения.
Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ)
СКВТ (рис. 31) представляет собой малую электрическую
машину, которую часто используют в качестве датчиков линейных или угловых перемещений.
w
2
w
∼U
1
R
1
Рис. 31. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор
w
w
4
3
R
2
Usinϕ
R
3
Ucosϕ
На статоре СКВТ расположены две одинаковые взаимоперпендикулярные обмотки w1 и w2, к одной из которых подключено
синусоидальное напряжение U сети, а ко второй – сопротивле-
ние R1. На роторе также расположены взаимоперпендикулярные
обмотки w3 и w4. Обмотка w2 является первичной, обмотки w3 и
w4 – втори чными. Во вторичных обмотках создается напря жение
с частотой сет и, ам пл и туда которого за висит от угла поворота ро тора. Так как обмотки расположены под углом 90°, напряжение в
одной из них равно kUsinϕ, в другой kUcosϕ, где k – коэ ф фиц иент
пропорциональности, ϕ – угол поворота ротора.
По вторичным напряжениям можно определить путь (число
оборотов), скорость, положение и т. д. Наличие двух напряжений, сдвинутых друг относительно друга на 90°, позволяет решать и много других технических задач.
Токи в обмотках влияют друг на друга, что ухудшает качество работы СКВТ. Для уменьшения этого влияния проводят
симметрирование.
56
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
Первичное симметрирование зак лючается в том, что к обмотке w1 подключается сопротивление R1, равное выходному сопротивлению источника питания. Токи, возникающие в обмотке w1,
компенсируют горизонтальную составляющую магнитного поля,
создаваемого вторичными обмотками.
Вторичное симметрирование зак лючается в условии равенства входных сопротивлений нагрузок: R2 = R3. При этом чем
больше оба сопротивления, тем меньше токи и меньше влияние на другие обмотки. Ни один из видов симметрирования не
исключает наличия погрешностей. Несмотря на это, точность
СКВТ весьма велика.
При перемещении в противоположную сторону фазы вторичных напряжен ий меняются на 180°, что позволяет определить
не только величину, но и направление перемещения.
Сельсины
Сельсины были разработаны для синхронно-следящих передач, однако успешно применяются в качестве точных и надежных
датчиков перемещения. Они представляют собой малые электрические машины, служащие в качестве датчиков как углового, так
и линейного перемещения, скорости и т. д.
Обычно используют пару: сельсин-датчик и сельсин-приемник, имеющие принципиально одинаковое устройство. Отличие
может быть связано с тем, что сельсин-датчик может работать на
несколько сельсин-приемников.
В состав сельсина-датчика входит установленная на вращающемся валу обмотка возбуждения (ОВ), на которую через контактные кольца подается напряжение постоянной амплитуды и
частоты f, и три синхронизирующие обмотки А, В, С, располо-
женные под углом 120° друг к другу (рис. 32), установленные на
статоре (на сельсине-датчике они обозначены индексом Д, на
сельсине-приемнике – П). Работу сельсинов легче понимать,
если представить, что вращаются синхронизирующие обмотки
(что и показано на рисунке). Однако конструкция с подвижной
ОВ и неподвижными синхронизирующими обмотками более рациональна. Такое устройство позволяет существенно уменьшить
погрешности. Это связано со следующими причинами:
1) на вращающуюся обмотку подавать напряжение (или снимать с нее) приходится через контактные кольца. При вращающейся ОВ контактных колец два; при вращающихся синхронизирующих обмотках – три (или четыре);
57
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
2) кольца со щетками имеют контактное сопротивление, которое зависит от многих факторов, в том числе и от поданного
напряжения. Если вращается ОВ, напряжение постоянно (напряжение питания не меняется). Если вращаются синхронизирующие обмотки, напряжение зависит от угла поворота и в показания датчика вносятся существенные погрешности;
3) падение на п ря жени я на контак т ных кольцах мало по сра внению с напряжением питания. Для малых напряжений с синхронизирующих обмоток оно может составлять существенную
часть.
ОB
∼U
А
Д
В
Д
С
Д
Рис. 32. Соединение сельсинов
А
П
В
С
П
ОУ
U
П
у
Синхронизирующие обмотки датчика и приемника соединя-
ются между собой пофазно (см. рис. 31).
В каждой из синхронизирующих обмоток возникают ЭДС
частоты f, пропорциональные cos(ϕ + 120°n), где n = 0 для АД,
n = 1 для ВД, n = 2 для СД, ϕ – угол поворота ротора.
Эти ЭДС создают в обмотках АД, ВД, СД токи, которые протекают в соответствующих фазах приемника и создают такой же
магнитный поток Ф, как и в датчике. Поток Ф приемника поворачивается синхронно с поворотом ротора датчика. В обмотке
управления датчика возникает ЭДС ЕУ, пропорциональная проекции потока Ф на ось обмотки. Если обмотка управления ОУ
расположена относительно ротора так же, как обмотка возбуждения ОВ в сельсине-датчике, ЭДС в ней ЕУ = Е1cosϕ. Это не всегда
удобно, так как при малых углах поворота cosϕ максимален. Поэтому корпус поворачивают на 90°. Тогда ЕУ = Е1sinϕ.
58
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
При малых рассогласованиях sinϕ = ϕ, т. е. напряжение пропорционально углу рассогласования ϕ. Так как ϕ представляет
собой угол, зависящий от скорости вращения вала (ϕ = 2πn), по
нему можно определять скорость, ускорение, перемещение.
В настоящее время сельсины в связи с их универсальностью,
точностью и неприхотл ивостью к внешни м условиям широко используют в машиностроении, авиации и других отраслях хозяйства.
Следует отметить, что по причине быстрого развития электронной техники во многих устройствах сельсины успешно заменяют полупроводниковыми датчиками. Особую роль при этом
приобретают импульсные датчики благодаря своим бесспорным
достоинствам по сравнению с аналоговыми.
3.2.4. Датчики температуры
В механических датчиках используется эффект удлинения
металлической ленты при увеличении температуры. Чем длиннее лента, тем больше ее абсолютное удлинение при росте температуры. Датчик с линейной лентой имел бы большую длину.
Поэтому ленту свивают в спираль (рис. 33, а). Материал ленты
должен обладать большим температурным коэффициентом линейного удлинения и упругостью. Таким материалом может быть
бронза. Температуру срабатывания датчика устанавливают изменением расстояния между подвижной и неподвижной частями
контакта.
а б
Рис. 33. Механические датчики контакта: а – спиральный; б – биметаллический
В биметаллических датчиках (рис. 32, б) чувствительный
элемент выполняется в виде соединенных между собой двух лент,
имеющих разные коэффициенты линейного расширения. При
увеличении температуры биметаллическая пластина изгибается,
59
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
вызывая замыкание контакта при установленной температуре.
Все механические датчики имеют высокую тепловую инерцию
из-за того, что требуется время на нагрев массы чувствительного
элемента.
Если нагрев биметаллической пластины осуществлять специальным нагревателем постоянной мощности, можно получить
тепловое реле времени.
Проволочные термосопротивления используют изменение сопротивления проводника при изменении температуры. Их изготавливают из тонкой медной, никелевой, платиновой проволоки, намотанной на каркас. Они обладают малым относительным
температурным коэффициентом сопротивления, но высокой точностью и, в первом приближении, линейностью.
Полупроводниковые термосопротивления (термисторы) обладают высоким, но отрицательным температурным коэффициентом
сопротивления, т. е. сопротивление при нагреве уменьшается. Их
достоинства: малые размеры и, следовательно, малая инерционность; большой температурный коэффициент сопротивления, а
следовательно, большая чувствительность.
Используют термосопротивления с измерительной схемой,
как правило, содержащей усилитель.
Термоэлектрические датчики (термопары) работают на основе термоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что
на спае двух разнородных металлических проводников в зависимости от температуры возникает термоЭДС, которую можно
использовать для измерения температуры по классической схеме:
один спай помещают в зону измерения температуры, другой – в
зону с известной (например, нулевой) температурой; спаи включают встречно, и измеряют разность напряжений между ними.
В настоящее время измерение производят с помощью одной термопары, вторую (холодную) заменяют компенсатором, который
играет роль холодного спая и усилителя.
Промышленностью выпускаются стандартные термопары,
рассчитанные на различные диапазоны температур. Например, термопара платинородий-платинородий позволяет измерять температуру в диапазоне 1000–1800 °С. Термопару можно
изготовить самостоятельно, при этом она будет иметь нестандартную градуировочную характеристику, которую необходимо
снять.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]