Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы автоматики. Учебное пособие
.pdf
3.2. Информационные элементы. Измерительные схемы
3.2.5. Датчики силы и давления
В качестве первичных преобразователей при измерении давления используют различные мембраны, сильфоны, трубки Бурдона, преобразующие давление в перемещение. Перемещение измеряется с помощью емкостных, индуктивных и других датчиков
перемещений. На рисунке 34 показана схема емкостного датчика,
включенного в мостовую дифференциальную схему переменного
тока. Переменными емкостями являются емкости между мембраной и верхней и нижней обкладками (заштрихованы). Мембрана
за счет собственной упругости при отсутствии воздействия возвращается в начальное положение. Если верхняя и нижняя полости сообщаются с атмосферой, датчик может служить датчиком силы. Если нижняя полость загерметизирована и в ней имеется воздух при давлении, меньшем измеряемого, датчик
является датчиком давления поступающего в верхнюю полость
воздуха.
р
Мембрана
Рис. 34. Емкостный датчик, включенный в дифференциальную схему
Измеритель
R
1
∼U
R
2
Сильфоны – это сосуды обычно цилиндрической формы с
гофрированной тонкой поверхностью (рис. 35). Избыточное давление p, поступающее внутрь, увеличивает
его длину. Изменение длины, которое про-
р
порционально давлению, можно измерить
датчиком перемещения. Сильфонные датчики чувствительны к изменению температуры внешней среды (их иногда используют
в качестве датчика температуры), давления.
Рис. 35. Сильфон
L
Для компенсации этих влияний к сильфону пристраивают точно
такой же, закрепленный на общей с измерительным сильфоном
опоре, в который измеряемый газ не поступает. Удлинение измерительного сильфона уравновешивается удлинением компенсирующего сильфона.
61
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
Трубки Бурдона (рис. 36) издавна используют в манометрах.
Их действие основано на том, что в изогнутой трубке площадь
наружной поверхности больше площади внутренней. За счет этого силы, действующие на наружную поверхность, возникающие
от давления газа, находящегося в трубке, больше сил, действующих на внутреннюю поверхность. Трубка распрямляется, если
разность этих сил больше силы упругости трубки.
r
R
р
Рис. 36. Трубка Бурдона
Сильфонные и мембранные датчики нельзя измеряемым
давлением доводить до остаточных деформаций.
В качестве измерителей температуры используют и тензометрические датчики (см. п. 3.2.3), сопротивление которых меняется при изменении температуры.
3.2.6. Пьезоэлектрические преобразователи
Пьезоэлектрические преобразователи служат для измерения
силы, давления, ускорения. Их изготавливают из сегнетодиэлектриков (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.), физические
свойства которых различны по трем взаимоперпендикулярным
осям, которые называются оптической, электрической и механической. Прямой пьезоэффект, который используется в датчиках, заключается в том, что при сжатии вдоль электрической оси
кристалла, имеющего форму параллелепипеда, на поверхностях,
перпендикулярных оптической оси, возникают заряды противоположной полярности, которые можно снять с помощью металлических обкладок на этих поверхностях. Заряд Q, возникающий
62
3.3. Переключающие элементы
Q kF
CC
на металлических обкладках созданного таким образом конденсатора, пропорционален силе сжатия F. Напряжение, снимаемое
с конденсатора,
, где k – коэффициент пропорцио-
нальности, С – емкость конденсатора. Это напряжение может
служить мерой силы сжатия F.
Чтобы измерить давление, кристалл должен воспринимать
силу F = pS действующего на диафрагму давления (S – площадь
диафрагмы).
Для измерения ускорения на кристалл помещают инерционную массу m, которая при ускорении а действует на кристалл с
силой F = mа.
Заряды, возникшие на обкладках конденсатора, быстро уменьшаются, так как диэлектрик имеет электропроводность. Пьезоэлектрические преобразователи используются для измерения динамических процессов такой частоты, чтобы заряд Q не успел существенно измениться. Минимальная частота измерения должна
быть не менее 5 Гц. Недостатком пьезопреобразователей является
старение пьезоэлектрического диэлектрика (например, заряд, возникающий на титанате бария, уменьшается на 10 % в год).
Пьезодатчики предъявляют высокие требования к входному
сопротивлению измерительной цепи. Таким сопротивлением обладают электрометрические лампы (до 10
13
Ом) или специальные
схемы на транзисторах.
3.3. Переключающие элементы
3.3.1. Общие сведения. Нейтральные электромагнитные реле
К переключающим элементам относят различного типа реле,
переключатели и электронные ключи. Многие устройства, обладающие определенными функциями, в своем составе содержат
переключающие элементы.
Электромеханические реле, в основном, выполняют в двух
вариантах: с поворотным (клапанным) якорем (рис. 37, а) и с
втяжным якорем (рис. 37, б ).
При протекании тока в катушке 4 под действием возникающего магнитного поля якорь 1 притягивается к сердечнику 3,
перемещая подвижную часть контактов контактной группы 6.
При отсутствии тока якорь отходит от сердечника под действием
63
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
пружины, роль которой может играть пластина подвижного контакта. Магнитное поле распространяется по сердечнику, ярму 5
и якорю, образуя замкнутый контур. Магнитное поле зависит от
зазора между якорем и сердечником. При притянутом якоре за-
зор почти равен нулю и магнитное поле, а следовательно, и сила
притяжения якоря максимальны. Штифт отлипания 2, выполненный из немагнитного материа ла, не позволяет в притянутом
положении полностью уничтожить воздушный зазор. При отсутствии воздушного зазора остаточного намагничения электротехнической стали может быть достаточно, чтобы удержать якорь в
притянутом положении даже при отсутствии тока.
1
2
3
4
5
а
6
Рис. 37. Электромеханическое реле
6
1
3
4
5
б
Контакты могут быть нормальнозамкнутыми и нормально
ра зомкнутыми (нормальным считается обесточенное состояние
катушки). Контактов, в зависимости от назначения реле, может
быть различное количество.
При подаче напряжения на катушку реле ток в ней растет
(рис. 38), растет и магнитный поток через якорь. При токе срабатывания Iср в момент tср (точка А) магнитный поток увеличивается на с т олько, чт о ег о дос т а т о ч но дл я при т яжения якоря. Ток продолжает расти до установившегося значения I
и далее остается
уст
постоянным. Для надежного замыкания контактов необходимо,
чтобы выполнялось условие I
> Iср. При уменьшении тока че-
уст
рез катушку реле в точке D произойдет отпускание якоря. Так
как отпускание происходит при меньшем зазоре между якорем
и сердечником, I
< Iср. Это явление называется гистерезисом:
отп
срабатывание и отпускание происходит при разных токах, причем
ток срабатывания больше.
64
3.3. Переключающие элементы
I
I
K
I
С
I
уст
A
I
ср
I
отп
Рис. 38. Диаграмма срабатывания реле
B
D
t
ср
t
отп
t
Для каждого реле существуют такие величины: коэффици-
ент запаса
= 0,4–0,8.
зап
уст
= 1,5–2; коэффициент возврата
I
ср
отп
в
=
I
ср
Нормируются следующие характеристики реле:
y ток срабатывания Iср;
y рабочий (установившийся) ток I
y ток отпускания I
отп
(I
отп
< Iср);
уст (Iуст
y допустимый ток через контакты I
> Iср);
(определяется кон-
доп к
струкцией и материалами контактов);
y допустимое напряжение между разомкнутыми контактами
U
(определяется условиями пробоя).
доп к
Быстродействие реле определяется временем срабатывания tср
и временем отпускания t
Для быстродействующих реле t
отп
.
< 50 мс, для нормальных
ср
tср = 50–150 мс, для замедленных tср от 0,15 мс до 1 с.
Реле постоянного тока
Сердечник реле постоянного тока может быть выполнен из
сплошного металла, хотя для увеличения быстродействия его
делают шихтованным; бывают нейтральные реле (срабатывание
не зависит от направления тока обмотки) и поляризованные реле
(срабатывание зависит от полярности входного сигнала). Поляризованные реле имеют три состояния выхода: –1, 0, +1 (т. е.
переключающий контакт со средним состоянием).
Реле переменного тока
Якорь реле притягивается независимо от направления тока.
Поэтому при работе на переменном токе он должен притягиваться. Однако среднее значение усилия притяжения в два раза ниже,
чем при постоянном токе, равном среднему значению переменного тока. Для борьбы с вихревыми токами сталь сердечника
должна быть шихтованной.
65
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
2 в
��
Переменный ток постоянно меняет свою полярность. В моменты перехода через ноль сила притяжения якоря равна нулю.
За счет инерции отрыва от сердечника не происходит, однако
виб рации с частотой 100 Гц наблюдаются. Для борьбы с ними
применяют утяжеленный якорь с большой инерционностью или
короткозамкнутый виток на сердечнике.
Для установки корот козамкну того витка (рис. 39) полюс сердечника разделяют на две части. На одной из них устанавливают
короткозамкнутый виток. Синусоидальный магнитный поток
Ф
в
Ф
1
Ф
2
Ф
Рис. 39. Установка
короткозамкнутого
витка на сердечнике
реле
Ф разделяется на две части, одна из которых
Ф1 непосредственно воздействует на якорь, а
вторая Ф2 наводит в короткозамкнутом витке ток, сдвинутый по фазе на 90°. Этот ток
создает противодействующий магнитный поток Фв. На якорь проходит магнитный поток
с векторной суммой
, сдвинутый по
фазе от потока Ф1 на 90°. В результате на по-
люсе не бывает момен та, когда ма г нитный поток равен нулю.
Тяговое усилие реле переменного тока мало зависит от зазора
между якорем и сердечником: при уменьшении зазора индуктивность и индуктивное сопротивление растут, ток уменьшается.
Контакторы и пускатели – это мощные электромагнитные
реле, слу жащие для коммутации больших токов при высок их напряжениях. В соответствии с решаемыми задачами они оснащены механизмами быстрого включения и средствами дугогашения.
3.3.2. Другие виды реле
Поляризованные реле
Поляризованные реле реагируют не только на величину, но
и на полярность постоянного тока в обмотках реле. Разновидностей поляризованных реле и их конструкций существует очень
много. На рисунке 40 показаны две схемы, различающиеся схемой магнитной цепи: с дифференциальной (см. рис. 40, а) и мостовой (см. рис. 40, б ). В обеих постоянный магнит создает по-
ляризующий поток Фп, который не зависит от направления тока
в обмотках. Он позволяет определить направление этого тока.
В дифференциальной схеме при отсутствии тока якорь находится в
нейтральном положении, поток Фп от постоянного магнита разделяется на две равные части, справа и слева от якоря. Воздей-
66
3.3. Переключающие элементы
ствие этих магнитных потоков на якорь одинаково. Магнитный
поток Фу, создаваемый в катушке управления протекающим по
ней током, имеет направление, зависящее от направления тока.
Он ослабляет магнитный поток с одной стороны якоря и усиливает с другой. Якорь поворачивается в сторону большего магнитного поля, вызывая замыкание соответствующего контакта. При
выключении тока возвратная пружина (на схеме не показана)
возвращает якорь в нейтральное положение.
Ф
п
Ф
N
S
а
Постоянный магнит
у
U
Рис. 40. Поляризованные реле
N
б
U
S
В мостовой схеме сердечник состоит из двух частей, создающих четыре магнитных зазора (плечи магнитного моста). При
отсутствии тока магнитный поток от магнита одинаков во всех
плечах и якорь находится в нейтральном положении. Ток через
катушку независимо от потока магнита создает два контура магнитных потоков: левый сердечник – якорь, правый сердечник –
якорь. В одних магнитных зазорах магнитные потоки складываются, в других – вычитаются. При токе одного направления в
левом верхнем и правом нижнем зазорах потоки могут усилиться.
Тогда в правом верхнем и левом нижнем потоки ослабляются.
Якорь поворачивается против часовой стрелки. При токе противоположного направления потоки усиливаются в правом верхнем
и левом нижнем зазорах, а в левом верхнем и правом нижнем –
ослабляются.
Поляризованные реле могут быть трехпозиционными (вправо –
нейтраль – влево) и двухпозиционными (вправо – влево). Таким будет
реле на рисунке 40, а, если его лишить возвратной пружины.
Достоинства поляризованных реле заключаются в высокой
чувствительности, большом быстродействии, небольшой мощно-
67
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
сти срабатывания и в функции, которую они выполняют: определение полярности тока.
Тепловые реле должны срабатывать при достаточно длительной перегрузке сети, в которой они установлены. Поэтому через
тепловое реле проходит ток нагрузки (либо его часть), который
осуществляет нагрев чувствительного элемента. Одновременно с
нагревом происходит и его охлаждение, чаще всего естественное.
Поэтому температура чувствительного элемента постоянна. При
перегрузке, сопровождающейся перегревом, осуществляется отключение от сети. Обычно для этого используется цепь управления, в которую включен норма льно замкнутый контакт теплового реле.
Долгое время в качестве теплового элемента использовались
биметаллические пластины, нагреваемые специальным нагревателем. Пластины, изгибаясь, размыкают контакт, который используется для отключения нагрузки. Такие элементы используются для относительно небольшой мощности нагрузки.
Другим видом теплового элемента является стальная пластина специальной формы, в холодном состоянии выгнутая в определенном направлении. При нагреве внутренние силы, сжимающие ее, ослабевают, и пластина выгибается в противоположную
сторону, вызывая срабатывание контакта. При охлаждении она
принимает прежнюю форму. Пластину можно нагревать токами,
проходящими через нее.
Возврат реле в рабочее состояние может происходить как в
рез у л ьтате восстановления форм ы при ох ла ждении, так и с помощью специальной кнопки возврата. Второй вариант применяется
чаще.
Функции тепловых реле может осуществлять большое количество электронных схем с электронными тепловыми элементами, например терморезисторами. Такие схемы широко применяют в автоматических системах, в том числе и в автоматических
приводах.
Реле времени широко используют при управлении в функции
времени. Имеется большое количество механических, электромеханических, пневматических, электронных и других реле времени. Имеются программные реле времени, в состав которых входят
независимые друг от друга контакты, каждый из которых можно
настроить на время замыкания и размыкания. Обы чно он и пр едставляют собой медленно вращающийся электродвигателем ба-
68
3.4. Задающие устройства и устройства сравнения
рабан или диск, на поверхности которого имеются выступы для
включения контактов, расположенных на неподвижной части,
положение которых можно менять.
Электронные реле времени бывают аналоговыми и числовыми.
Аналоговые реле позволяют управлять выдержками времени от
долей секунды до нескольких минут. Большинство из них используют явление заряда-разряда конденсаторов.
Числовые реле времени принципиально представляют собой
генератор импульсов заданной частоты и счетчик импульсов,
устройство которого может быть разнообразным, например, с
обратным счетом. В счетчик заносится необходимое время, и с
заданного момента начинается обратный счет импульсов. Когда
содержимое счетчика станет равным нулю, выдается сигнал об
истечении запрограммированного времени. Электронные реле
времени наиболее универсальны, не требуют ухода, легко совмещаются с устройствами индикации и т. п.
3.4. Задающие устройства и устройства сравнения
С помощью задающих устройств в систему вводится информация, определяющая порядок изменения выходной величины.
Эта информация может быть как аналоговой, так и числовой.
Она может содержать и такие команд ы, как «включи т ь», «вык лючить», «вперед», «назад» и т. д. Сложность задающих устройств
может быть самой разнообразной: от простого потенциометра до
микроконтроллеров. Информация может задаваться вручную
или автоматически.
Если информация подается с потенциометра (рис. 41), движок его может перемещаться вручную. На вход системы будет
подаваться напряжение от 0 до U в соответствии с положением движка. Можно перемещать движок с помощью механизма, работающего по определенному закону. Тогда и напряжение на вход
системы будет подаваться автоматически в зависимости от закона
работы механизма.
Некоторое время назад, иногда и теперь, на металлообрабатывающих предприятиях такими механизмами являлись коман
доаппараты (рис. 42). Кулачок 1, поверхность которого выполне-
на в соответствии с законом регулирования, равномерно враща-
U
Рис. 41. Потенциометр
в качестве задатчика
R
69
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
ется вокруг оси. Ролик 2 прижат к этой поверхности (например,
пружиной – на рисунке не показана) и с помощью рычажной
системы 3 передает на потенциометр закон изменения выходной
величины. Вращающуюся часть можно выполнить в виде цилиндра с несколькими кулачками, установленными вдоль оси враще-
1
2
ния. Тогда командоаппарат может управлять синхронно несколькими входами.
В качестве задающих устройств ис-
пользуется большое количество электро-
3
U
R
механических устройств, например, широко использовавшийся в телефонии ша
U
вых
говый искатель, который представляет
собой реле, якорь которого при поступлении импульса включает следующий по
Рис. 42. Командоаппарат
порядку контакт.
Электронный аналог такого устройства можно выполнить с
помощью сдвигового регистра (в автоматике такое устройство называют распределитель), который сдвигается на один разряд при
подаче импульса «Сдвиг» (рис. 43).
+U
70
R2
VD1
R3
VT1
R1
1 2
Сдвиг
Рис. 43. Управление ключами с помощью распределителя
R
Сдвиговый регистр
VT2
R4
VD2
R5
VTn
R
n
R(n – 1)
VDn
Rn
U
вых
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]