розділ2

Дисципліна «Автоматика»

Рисунок 2.2.8

На рисунку 2.2.8,а переміщення рухомої пластини 2 щодо нерухомої 1 змінює d приводить до зміни ємності плоского конденсатора.

На рисунку 2.2.8,б нерухома пластина 1 і рухома пластина 2 закріплені на загальній осі. Повертаючи рухому пластину на кут , змінюється активна площа S (на рисунку заштрихована), що також приводить до зміни ємності.

На рисунку 2.2.8,в показаний ємнісний датчик, у якого змінюється відносна діелектрична проникність середовища , а параметри S і d залишаються незмінними.

2.2.3. Генераторні датчики.

1.Термоелектричні датчики.

2.П'єзоелектричні датчики.

3.Фотоелектричні датчики.

4.Індукційні датчики. А) Тахогенератори;

Б) Сельсині перетворювачі; В) Трансформатори, що обертаються.

1.Термоелектричні датчики (термоелектричні перетворювачі) призначені для вимірювання температури.

Рисунок 2.2.9

Він складається з двох електродів 1 і 2, що виготовляються з різнорідних провідників (рис. 2.2.9). Одні кінці провідників сполучені між собою методом спайки, скручування або зварки – виходить робочий спай елемента. Другі кінці вільні (їх ще називають холодними) і до них підключають вимірювальний прилад.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

Якщо температура t робочого спаю відрізняється від температури tо холодних кінців, то в елементі виникає дві термо-ЕРС, виникнення яких пояснюється дифузією вільних електронів з металу, де їх більше, в метал де їх менше (контактна термо-ЕРС або термо-ЕРС Зєєбека), а в кожному провіднику виникає термо-ЕРС Томсона за рахунок збільшення числа вільних електронів в нагрітому кінці, які дифундують до холодного.

Ерез (t, tо) = Ез(t)+ Ет(t, tо)

Відсутність зовнішнього джерела живлення дозволяє вважати такий чутливий елемент генераторним.

На практиці частіше за все використовуються наступні поєднання: ТХК – хромель-копель (до 600оС)

ТХА – хромель-алюмель (до 1000оС) ТПП – платіна-платінородій (до 1300оС) ТВМ- вольфрам-молібден (до 2100оС). Термо-ЕРС досягає 50мВ.

2. П'єзоелектричні датчики працюють за рахунок електричних зарядів, які з'являються на поверхні кристалів при їх стисненні (рис. 2.2.10).

На практиці частіше за все цей датчик виготовляють з кварцової пластини 1, на поверхню якої напиленням (або наклеюванням струмопровідним клеєм) наносяться електроди 2, до яких припаюються висновки 3. При стисненні пластини силою F унаслідок прямого п'єзоелектричного ефекту з'являється

Uвих = Q/Сд = К F/Сд

де Q – величина заряду,

К – коефіцієнт пропорційності, Сд – ємність датчика.

Цей датчик безінерійний і вихідна напруга для різних датчиків може бути від одиниці мілівольт до одиниць вольт.

3. Фотоелектричні датчики генераторного типу широко використовуються в схемах автоматики. На рисунку 2.2.11 показаний устрій вентильного фотодатчика з внутрішнім фотоефектом.

Дисципліна «Автоматика»

Світловий потік через шар прозорого лака 1 потрапляє на золоту пластину 2. Під впливом енергії світлового потоку в золотій пластині утворюються вільні електрони, які через запірний шар 3 потрапляють в селеновий напівпровідник 4. Запірний шар володіє вентильною властивістю – пропускає електрони тільки в одному напрямку – вниз. Таким чином золота пластина, втрачаючи вільні електрони, одержує позитивний потенціал, а залізна підкладка 5 – негативний. Різниця потенціалів виникає без використовування додаткової енергії, тобто такий фотодатчик освітленості є генераторним.

4 Генераторні індукційні датчики – це малопотужні електричні машини, що виробляють напругу, пропорційну кутовій швидкості або куту повороту вала. До них відносяться тахогенератори, сельсини і трансформатори, що обертаються.

А. Тахогенератори застосовуються чотирьох типів – постійного струму із збудженням від постійних магнітів і незалежним збудженням (електромагнітом) та змінного струму синхронні і асинхронні. Розглянемо асинхронний тахогенератор, який найбільш широко застосовуються на практиці. Конструктивно такий тахогенератор є асинхронним двофазним двигуном з порожнистим ротором (рисунок 2.2.12). Для отримання постійної напруги до вихідної обмотки підключають випрямляч.

Рисунок 2.2.12

Дві обмотки статора зсунуто на 90о (рис. а) і до однієї з них підводиться постійне за амплітудою і частоті напруга збудження (рис. б), що створює магнітний потік Ф1. При нерухомому роторі цей потік не робить ніякого впливу на другу обмотку, оскільки перпендикулярний її осі.

Коли ротор обертається, то його стінки перетинають потік Ф1 і в них з'являються струми створюючі магнітний потік Ф2, вже направлений по магнітній осі другої котушки. Оскільки

Ф2 = К1× Iрот =К2 ×Ф1× n = K3× n× Uз =K4× n, то

Uвых =4,44× Kf ×Кw ×fс ×W2× Ф2 = К ×n

де Kf - коефіцієнт форми, для синусоїдального струму рівняється 1,11; Кw – обмоточний коефіцієнт статорної обмотки;

fс – частота живлячої напруги, Гц;

Розділ 2. «Елементи автоматики»

W2 – число витків статорної обмотки.

Тобто вихідна напруга, що індуцирується у другій обмотці, прямо пропорціонально швидкості обертання ротора (рис. в).

Б. Сельсин є малопотужною машиною, за конструкцією і схемою схожий на трифазний синхронний генератор (рисунок. 2.2.13)

Рисунок 2.2.13

Статор сельсина СТ забезпечений пазами, у які укладається трифазна обмотка, фази якої зміщені на 120о. Обмотка статора з'єднується в зірку (як на рисунку) або трикутником. Ротор сельсина звичайно має явно виражені полюси, на які накладається однофазна обмотка збудження. Напруга збудження підводиться до ротора через контактні кільця і щітки.

Працює сельсин таким чином. Струм обмотки збудження ротора створює змінний магнітний потік, який пронизує обмотки статора, що індуцирують в них ЕРС, частота якої рівна частоті напруги збудження. Величина ж цієї ЕРС залежатиме від взаємного розташування осей обмоток статорів і ротора. Якщо вони співпадають, то ЕРС максимальна, якщо вони взаємно перпендикулярні, то ЕРС рівна нулю. Якщо ж ротор повернули на 180о, то ЕРС знов максимальна, але знак її зміняється на протилежний.

Таким чином, сельсин є датчиком кута повороту.

В. Трансформатор, що обертається (ТО) за принципом дії не відрізняється від сельсина (рисунок 2.2.14).

На статорі і роторі ТО розташовані по дві обмотки, зсунуті у просторі під кутом 90о. Одна з обмоток статора є обмоткою збудження і живиться від однофазної мережі змінного струму. Напруги з ротора знімається за допомогою контактних кілець і щіток.

ТО залежно від схеми включення обмоток статора і ротора виробляє напруги або пропорційні куту повороту, як і сельсин, або пропорційні синусу і косинусу кута повороту ротора:

Uвих1 = К Uв sin ;

Uвих2 = К Uв cos ,

Дисципліна «Автоматика»

2.3. ВИМІРЮВАЛЬНІ СХЕМИ.

1.Мостова вимірювальна схема.

2.Компенсаційна вимірювальна схема.

3.Диференціальна вимірювальна схема.

4.Автоматична вимірювальна схема.

Вимірювальні схеми застосовуються для визначення включення датчиків з метою вимірювання контрольованих величин і перетворення отриманого сигналу для зручності подальшої обробки.

1. Схема, що має чотири плечі, до однієї діагоналі якій підводиться напруга живлення, а з іншої діагоналі знімається вихідна напруга, називається мостовою вимірювальною схемою або просто мостом.

Вона використовується для перетворення зміни активного опору, індуктивності або ємності датчика в зміну величини струму або напруги.

На рисунку 2.3.1 показана рівноважна (балансна) мостова схема, що передбачає нульовий метод вимірювання.

При рівновазі мостової схеми струм у вимірювальній діагоналі дорівнює нулю. Умова рівноваги записується у вигляді:

Оператор у ручну переміщає рухомий контакт R2 до тих пір, поки не встановить струм, рівний нулю, а потім по шкалі проводить відлік. Якщо під впливом зовнішніх факторів Rх зміниться (температура, тиск, освітленість), то оператор знову в ручну відновлює рівновагу схеми.

Перевага схеми в тому, що вона може працювати на змінному і постійному струмах.

2. Принцип компенсації полягає в тому, що виміряну напругу врівноважують (компенсують) рівним і протилежним за знаком падінням напруги, значення якої визначається з необхідною точністю (рис. 2.3.2).

Врівноважуюче падіння напруги знімається з реохорда і фіксується положення движка.

Рівність напруг, що виміряються і компенсується, визначається по нуль покажчику (амперметру Аук).

Дійсно, якщо Iук = 0, то Uх = Uо = Iо Rк

Рисунок 2.3.2 Постійність струму Iо підтримується за допомогою регулятора Rрег у ланцюзі батареї

живлення.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

Схема може працювати як на постійному струмі так і на змінному. Вона забезпечує високу точність вимірювання, оскільки у момент вимірювання від Uх потужність не споживається (Iук = 0).

3. Дифференциальная схема є електричним колом, що складається з суміжних контурів, в кожному з яких діє окрема ЕРС (рисунок 2.3.3).

Вимірювальний прилад (амперметр) включений в загальну для обох контурів ланцюг і реагує на різницю контурних струмів.

Якщо Е1 =Е2 і Zх = Z2, то I1 = I2 і Iпр = 0. При зміні під впливом зовнішніх чинників Zх, з'являється

струм приладу, залежний від зміни Zх.

Недолік схеми в тому, що вона може використовуватися тільки на змінних струмах, але у

неї великі функціональні можливості: змінними Рисунок 2.3.3 можуть бути і Zх і Z2 чи обидва разом, та Е1 або Е2

чи обидва разом.

4.Автоматическую вимірювальну схему розглянемо на прикладі автоматичного потенціометра (рис. 2.3.4) призначеного для вимірювання термо- ЕРС, при чому з автоматичною термокомпенсацією впливу температури tо холодних кінців термоелектричного перетворювача.

У схемі напруга компенсації Uо виробляється спеціальною мостовою схемою. Якщо Uо = Е(t,tо), то U = 0 і реверсивний двигун РД не обертається, оскільки напруга керування Uу на виході електронного підсилювачаперетворювача рівно нулю. При зміні Е(t,tо) під впливом зміни температури на виході підсилювача з'являється сигнал розбалансу U.

Рисунок 2.3.4

РД починає обертається, переміщаючи стрілку покажчика і рухомий контакт реохорда до тих пір, поки не стане рівним нулю U. Якщо змінити tо, то змінюється і Е(t,tо), але при цьому змінюється у ту ж сторону і на таку ж величину Uо завдяки спеціальному підбору резисторів моста R1, R2, R3 і Rм.

R1, R2, R3 виконані з манганіну, електричний опір якого практично не змінюється при зміні температури, а Rм – термоперетворювач опору типу ТСМ. Міст знаходиться під температурою вільних кінців tо.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

Підсилювачі, що мають механічне переміщення на вході і електричний сигнал на виході, є змінним резистором, автотрансформатор або контактами реле, що замикаються і розмикаються.

Залежно від виду застосованої допоміжної енергії розрізняють пневматичні, гідравлічні, електричні (електромеханічні, магнітні), діелектричні, електронні (напівпровідникові) і комбіновані підсилювачі. В системах автоматики найбільше розповсюдження отримали електричні підсилювачі.

2. До основних характеристик підсилювачів відносяться: вихідна потужність, коефіцієнт посилення, статична характеристика, швидкодія (значення постійної часу), вхідний і вихідний опори підсилювача.

Вихідна потужність підсилювача визначається потрібною потужністю виконавчого механізму і змінюється у вельми широких межах (від часток ватів до десятків кіловатів).

Коефіцієнт посилення є однією з основних характеристик підсилювача. В електричних підсилювачах розрізняють коефіцієнт посилення за напругою, струмом потужністю.

Коефіцієнтом посилення за напругою Кн називається відношення напруги вихідного сигналу Uвих до вхідного Uвх, тобто

Кн = Uвих / Uвх.

Коефіцієнт посилення за струмом Кт визначає відношення струму вихідного сигналу Iвих до вхідного Iвх підсилювача, тобто

Кт = Iвих / Iвх.

Коефіцієнт посилення за потужністю Км характеризує відношення вихідної потужності Рвих до потужності на вході Рвх, тобто

Км = Рвих / Рвх.

Статична характеристика підсилювача відображає залежність між вхідною і вихідною величинами у сталому режимі і може бути лінійною і нелінійною. Найбільш переважна лінійна характеристика.

Швидкодія підсилювачів оцінюється за їх динамічними характеристиками (тимчасовими і частотними). Підсилювачі магнітні, електромашинні, гідравлічні і пневматичні мають меншу швидкодію, ніж електронні і напівпровідникові підсилювачі.

Вхідний і вихідний опори мають місце тільки для електричних підсилювачів. Ці опори необхідно враховувати при узгодженні підсилювачів з попередніми і подальшими елементами автоматичних систем. Підсилювачі з низьким вхідним опором не можна використовувати, наприклад, для посилення сигналів датчиків ємностей, фотоелементів, що мають великий вихідний опір.

Дисципліна «Автоматика»

3.Електромеханічні підсилювачі виконуються у вигляді електромашинних підсилювачів (ЕМП) і електромагнітних реле.

Електромашинні підсилювачі (ЕМП) – спеціальні електричні генератори постійного струму, вихідна потужність яких регулюється шляхом зміни потужності управління. Конструктивно електромашинні підсилювачі виконуються у вигляді установки, в корпусі яких розташовується асинхронний двигун і генератор.

ЕМУ допускають значні форсировки за струмом і за напругою, мають малу потужність управління і добру швидкодію. Проте ЕМП мають невисоку надійність через наявність рухомих контактів між щітками і колектором, створюють великі перешкоди для роботи радіоапаратури, мають відносно великі розміри і масу. У зв'язку з цим останнім часом практично не застосовуються.

В електромагнітних реле отриманий управляючий сигнал подають на котушку, внаслідок чого замикаються контакти, здатні пропускати струм більшої потужності. Підсилювачі подібного типу дозволяють збільшувати енергію вхідного сигналу у 1000 разів, істотно спростити схему управління і підвищити її стабільність по відношенню до змін температури навколишнього середовища. Вони отримали широке розповсюдження в системах автоматичного регулювання (стабілізації) температури в термічних і плавильних печей.

Магнітні підсилювачі є електромагнітним пристроєм, в якому зв'язок виходу і входу здійснюється через магнітне поле. В основу принципу його дії встановлена нелінійна залежність магнітної проникності феромагнітних матеріалів від напруженості постійного підмагнічюючого поля, створеного або змінного вхідним сигналом.

В цілому магнітні підсилювачі є надійними елементами автоматики, до переваг яких слід віднести високу міцність при практично необмеженому терміні служби, а також миттєву готовність до дії. Зручно і підсумовування сигналів в магнітному підсилювачі, для цього достатньо мати відповідну кількість вхідних обмоток. Магнітні підсилювачі нечутливі до радіоактивних випромінювань. Недоліки магнітних підсилювачів – порівняно велика маса і значна інерційність, обумовлена помітною кількістю енергії, що запасається в магнітному полі дроселя.

4.До напівпровідникових підсилювачів відносяться пристрої систем автоматики, в яких використовуються напівпровідникові прилади (транзистори), що виготовляються з германію або кремнію з відповідними домішками. Транзистори можуть включатися в підсилювальні схеми трьома різними способами: із загальною базою, із загальним колектором і загальним емітером. Пристрій і принцип дії цих підсилювачів ви детально вивчили на предметі "Основи промислової електроніки".

У даний час напівпровідникові підсилювачі знайшли широке застосування. Це пояснюється тим, що термін служби транзисторів складає декілька десятків тисяч годин, а аварійні виходи транзисторів при відповідному температурному режимі вельми рідкісні. Також напівпровідникові підсилювачі мають малі габарити, масу, малу споживану потужність, зручні та прості у роботі

іобслуговуванні.

Розділ 2. «Елементи автоматики»

5. Гідравлічні і пневматичні підсилювачі застосовуються в системах автоматики для посилення сигналів за потужністю. Принципово схеми таких підсилювачів не мають відмінності. Якщо в пневматичних підсилювачах використовується стисле повітря, то в гідравлічних – рідина під тиском (частіше масло).

Розрізняють три типи гідравлічних підсилювачів: золотникові, дросельного типу і струменеві.

У золотникових гідравлічних підсилювачах вхідний сигнал, відкриваючи або закриваючи золотник або вентиль, змінює надходження допоміжної енергії (масло під тиском) у виконавчий механізм.

В підсилювачах дросельного типу (рис 1.4.2 а, б) вихідний тиск Р2 робочої рідини залежить від переміщення Х дроселя 1 або заслінки 2 при постійному тиску Р1.

Принцип дії струменевого підсилювача полягає в тому, що кінетична енергія струменя масла, направлена в приймальне сопло, перетвориться в потенційну енергію тиску.

До переваг підсилювачів подібного типу можна віднести простоту конструкції, відсутність підвищених вимог до очищення масла і високу експлуатаційну надійність. Основним недоліком підсилювача є неповне використовування потужності потоку робочої рідини і неминучий її витік.

Пневматичні підсилювачі за принципом аналогічні гідравлічним і мають такі ж переваги і недоліки.

Гідравлічні і пневматичні підсилювачі знаходять застосування в автоматичних системах регуляторів тиску і витрати.

2.4.2 Операційні підсилювачі (ОП)

1.Загальні відомості про ОП.

1.Підсумовує ОП.

2.Диференціюючі ОП.

3.Интегрируючі ОП

4.Регулятори систем автоматики.

1Операційний підсилювач є електронним підсилювачем постійного струму з великим коефіцієнтом посилення (приблизно 105 – 106) і глибоким