Способи отримання вимірювальних сигналів і типів датчиків для різних величин

У якості параметрів, вимірюються можуть бути:

Електрична напруга U: а) безпосередній вимір U;
б) від потенціометра UR₁/(R₁+R₂); в) від трансформатора напруги Uw₂/w₁;
г) від ємнісного дільника напруги UC₂/(C₁ + C₂).

Струм І: а) від активного падіння напруги в шунті IR; б) від індуктивного падіння напруги IX_L; в) від конденсатора IX_С= CɷU; г) від навантаженого трансформатора струму RIw₁/w₂.

Магнітний потік Φ: а) за допомогою пробної котушки в магнітному полі ; б) за допомогою датчика Холу.

Швидкість обертання п об/хв: а) за допомогою тахогенератора (постійного струму, синхронного, асинхронного, електростатичного) U=Фп; б) за допомогою тахометричного (потенціометричного) мосту на затискачах двигуна ; в) за допомогою відцентрового маятника.

Крутний момент М: а) безпосередній вимір в електричній машині ФІ; б) за величиною падіння напруги RI, де I — функція моменту М від тензометричного датчика; в) за величиною RI, де I — функція моменту М від електромагнітного торсіометра (вимірника моменту, що скручує вал) або від іншого моментоміра.

Потужність Р – за допомогою електронного або електродинаміч-ного ватметру Р ≡ UI.

Прискорення лінійне або обертальне : а) за допомогою тахогенератору й трансформатора, що диференціює, dn/dt=dU/dt; б) за допомогою двофазного асинхронного тахогенератора; в) за допомогою датчика прискорення (електромагнітного або електронного).

Механічна напруга S – за допомогою тензометричного датчика як при вимірі крутного моменту М (див. вище).

Тиск Q кг/кВ∙см: а) за допомогою п’єзокришталевої або ємнісної месдози; б) за падінням напруги RI, де струм I – функція зсуву в конденсаторному (або іншого типу) мікрофоні; в) за допомогою мембрани або манометра;

г) за допомогою сильфона.

Температура : а) за допомогою термометра опору за величиною IR(1-k ); б) за допомогою термопари, струм якої пропорційний величині (k₁ -k₂ ²); в) за допомогою біметалічної пластинки.

Освітленість Е – за допомогою фотоелемента за величиною IR, де фотострум I – функція величини: люмен/одиниця площі фотоелемента («електричне око»).

Потужність звуку Т – за допомогою вугільного, індуктивного або конденсаторного мікрофона, що дає функцію від R, L та С («електричне вухо»).

Механічне переміщення (лінійне або кругове) х: а) за зміною опору R (у реостаті з вугільними шайбами або в дротовому реостаті);
б) за зміною індуктивності L (у регульованій індуктивній котушці);
в) за зміною ємності С (у конденсаторі з рухливими обкладинками).

Частота f: а) за величиною індуктивного опору або падіння напруги ; б) за величиною ємнісного опору 1/(2πfC).
(Опори включаються в плече містка).

Рис. 1.9 - Основні типи вимірювальних датчиків:

1 – реостат, механічне переміщення; 2 – механічне переміщення; 3 – ланцюг постійного струму; 4 – тахогенератор, обертання; 5 – фотоелемент (світло); 6 – механічне переміщення; 7 – ланцюг змінного струму, трансформатор струму; 8 – трансформатор зі змінним зв'язком, переміщення

До цього переліку слід додати деякі пояснення рис. 1.9. Найпростішим пристроєм для перетворення шляху механічного переміщення в сигнал є реостат (1), але він має обмежене поширення на практиці внаслідок його підвищеного зношування й порівняно короткого терміну служби. Для передачі сигналу шляху механічного переміщення може бути використане інший пристрій, вільний від швидкого зношування, – реактор зі осереддям індуктивністю (2). Для цієї мети застосовується реактор із осереддям, що переміщається в ньому – плунжером або двополюсним електромагнітом із залізним якорем, що пересувається між кінцями полюсів (6).

Класифікація датчиків

Як було визначено раніше у системах автоматики призначення
датчика – перетворення контрольованої або регульованої величини у вихідний сигнал, більше зручний для подальшої передачі інформації. Часто датчик називають перетворювачем. Перетворювач, це більше загальний термін, тому що будь-який елемент автоматики, який має свій вхід і вихід, у тім і іншому ступені є перетворювачем.

У найпростішому випадку датчик здійснює тільки одне перетворення , наприклад сили в переміщення (у пружині), або температури в електрорушійну силу (у термоелементі). Однак, у ряді випадків у датчику здійснюється ряд перетворень: вхідна величина X впливає на проміжну Z, а сигнал Z - на необхідну вихідну величину Y

; (1.9)

Число таких послідовних перетворень може бути й більше двох.
У цьому випадку датчики є складними і називаються датчиками з послідовним перетворенням. Вхідна частина таких датчиків називається сприймаючим органом, вихідна частина - виконавчим органом. Всі інші частини називаються проміжними органами. Нерідко той самий конструктивний елемент датчика виконує кілька функцій, наприклад, пружна мембрана виконує функцію сприймаючого органа (перетворення тиску в силу) і функцію виконавчого органа (перетворення сили в переміщення).

Виняткове різноманіття датчиків, застосовуваних в автоматиці, викликає необхідність їхньої класифікації. У даний час відомі наступні типи датчиків, які за вхідною величиною діляться наступним чином:

Приклади датчика Вхідна величина

1. Механічний Переміщення твердого тіла

2. Електричний Електрична величина

3. Гідравлічний Переміщення рідини

4. Пневматичний Переміщення газу

5. Термічний Теплота

6. Оптичний Світлова величина

7. Акустичний Звукова величина

8. Радіохвильовий Радіохвилі

9. Ядерний Ядерні випромінювання.

У межах кожної групи, можливий розподіл датчиків на підгрупи.

Найбільш широке застосування одержали електричні датчики. Електричні датчики за принципом перетворень діляться на два типи - модулятори й генератори.

У модуляторів (їх ще називають параметричними датчиками) вхідний сигнал впливає на допоміжне електричне коло, змінюючи її параметри й модулюючи значення й характер зміни струму або напруги від стороннього джерела енергії. Завдяки цьому одночасно підсилюється вхідний сигнал. Наявність стороннього джерела енергії обов'язкова умова роботи параметричних датчиків.

Модуляція здійснюється за допомогою зміни одного з трьох параметрів - омічного опору, індуктивності або ємності. Відповідно до цього розрізняє групи омічних, індуктивних і ємнісних датчиків.

Кожна із груп може ділитися на підгрупи. Так, найбільш велика група омічних датчиків може бути розділена на підгрупи: тензорезисторни, потенціометри, терморезистори, фоторезистори.

Другий тип - є просто перетворювачами. Вони засновані на виникненні електрорушійної сили, під впливом різних процесів, пов'язаних з контрольованою величиною.

Виникнення такої ЕРС може відбуватися, наприклад, внаслідок електромагнітної індукції термоелектрики, п'єзоелектрики, фотоелектрики. Інші явища викликають поділ електричних зарядів.

Таким чином, можемо одержати загальну схему класифікації електричних датчиків рис. 1.10.

Електричні датчики

Електричні датчики найпоширеніші як в автоматиці, так і в телемеханіці. За допомогою їх одержують найбільш прості, зручні й надійні форми зв'язку що задають і виконавчих систем автоматичного регулювання. Електричні датчики використовуються практично у всіх галузях сучасної техніки. Більшість електричних датчиків має універсальність і їх можна застосовувати для рішення різних технічних завдань.

Рис. 1.10 – Загальна схема класифікації електричних датчиків

Датчики-модулятори

1.3.1.3.2.1 Тензометричні датчики. До датчиків з омічним опором, що змінюється, відносяться ті, які застосовують для виміру пружних деформацій (вимір розтягання або стиску тіл), а також для виміру макрорельєфів і згинальних моментів, що виникають на поверхні різних деталей при їхньому механічному навантаженні. Значення вимірюваної девіації дозволяє за допомогою відомих формул теорії пружності й пружних констант (постійних значень) матеріалу деталей вичислити механічні напруження в них і судити про доцільність їхньої конструкції. Тензодатчики, використовувані в автоматичному контролі, дають можливість стежити за деформаціями при статичних і динамічних навантаженнях.

Основним елементом дротового тензодатчики є константановий дріт діаметром 0,015…0,05 мм, складений у вигляді петльоподібної решітки (спирали) між двома склеєними смужками тонкого паперу або плівки. Датчик 1 через спеціальний папір 2 приклеюється до деталі 3, деформацію якої потрібно виміряти. При дії деформації, наприклад при розтяганні, (непреривна лінія на рис. 1.11), разом з деталлю буде розтягуватися й дріт. При цьому її довжина l збільшується, а перетин S зменшується. За рахунок цього опір дроту збільшується. Цей опір є вихідною величиною датчика.

Рис. 1.11 – Непреривна лінія

Якщо деформація буде діяти (як показано пунктирною лінією), то дріт на вигинах ще більше буде вигинатися. При цьому ні товщина, ні довжина дроту практично не змінюються. Отже, опір датчика не змінюється. Деформацію такого напрямку датчик не вимірює.

Відносна зміна опору тензодатчика:

, (1.10)

де К - коефіцієнт відносної чутливості (у межах пружних деформацій дроту величина постійна); l - початкова довжина деформируємої ділянки дроту.

Для тензодатчиків, що випускаються промисловістю, використовується константановий або фехралевий дріт. Тензочутливість таких датчиків може мати значення від 1,7 до 2,9, опір становить 50 - 2000 Ом, база l - 5 - 30 мм, номінальний робочий струм - 30 мА, припустимі відносні деформації - не більше 0,3% (при більшій деформації дріт обривається), максимальна робоча температура становить 600°С (для датчиків із плівковою основою).

Достоїнство дротових тензодатчиків - простота конструкції, практично безінерційність, недолік - мала чутливість (при роботі опір тензодатчика змінюється не більше ніж на 0,33%). З метою виключення залежності тензодатчика від температури застосовують мостові схеми з двома тензодатчиками в суміжних плечах, з яких один не піддається деформації, але перебуває в тих же температурних умовах. Це досягається перпендикулярним розташуванням обох датчиків. Тоді температурні зміни опір урівноважуються й баланс схеми зберігається.

Вимірювальний або реєстраційний прилад звичайно включається через підсилювач. Похибка вимірів із застосуванням дротових тєнзодатчиків перебувають у межах 1 … 0,5%.

Розроблені також напівпровідникові тензодатчики, в яких чутливість в 50-60 разів вище, ніж у дротових. Їхні недоліки – мала механічна міцність, вплив освітленості, розкид параметрів у різних зразків.

1.3.1.3.2.2 потенціометричні датчики (реостатні) застосовуються для виміру кутових або лінійних переміщень й перетворення цієї величини в зміну опору. Конструктивно датчик такого типу являє собою каркас 4 прямокутної або кільцевої форми, на який намотано в один ряд тонкий дріт. По витках дроту 4 сковзає щітка 3, називана движком потенціометра, що механічно пов'язана з об'єктом, переміщення якого потрібно виміряти.

Рис. 1.12 – потенціометричні датчики (реостатні)

Від кінців намотування й від движка зроблені електричні виводи 1, 2 і 3, за допомогою яких датчик включають у схему. При переміщенні движка потенціометра від виводу 1 до виводу 2 щітка переходить від одного витка намотування на іншій. При цьому довжина дроту між движком і виводом 1 збільшується, а між движком і виводом 2 зменшується. За рахунок цього опір між виводами 3 і 1 збільшується від 0 до R, а між виводами 2 і 3 зменшується від R до 0, де R - опір дроту, намотаного на каркас. За зміною цих опорів можна визначити переміщення l.

Опір між движком і одним з виводів намотування називають вихідним опором датчика R_вих. При переміщенні щітки в межах одного витка R_вих не змінюється, що спричиняється зоною нечутливості, а при переході з одного витка на інший R_вих змінюється стрибком. Для зменшення стрибків і зон нечутливості при намотуванні використовують тонкі проволоки
діаметром 0,03 - 0,05 мм.

З метою зниження впливу температури на R_вих застосовується проволока з малим температурним коефіцієнтом опору (ніхром, константан, манганін). Найбільш часто застосовують лінійні потенціометри.
У яких перетин каркаса до всій довжині однаково, а намотування рівномірна. За рахунок цього вихідний опір датчика лінійно залежить від переміщення, тобто R_вих=c∙ l.

де с - коефіцієнт пропорційності.

Рис. 1.13 ­ Характеристика U_вх = f(R_вих) та варіанти включення

Існує кілька варіантів включення потенціометричних датчиків. Живляча напруга підводить до виводів намотування (+) (-). Для лінійного потенціометра вихідна напруга

(1.11).

При підключенні до датчика навантаження R_н через її шунтуючу дію лінійна залежність вихідної напруги від переміщення движка потенціометра порушується. Щоб порушення нелінійності було незначним, повинне бути (в 20 разів і більше).

Застосовуються також потенціометричні датчики з виводом від середньої точки. При переміщенні движка потенціометра в одну сторону від середньої точки на виході датчика з'являється напруга позитивної полярності, а при переміщенні в іншу сторону від середньої точки - негативної полярності. За полярністю вихідного сигналу можна судити про напрямок переміщення.

Достоїнство потенціометричного датчика: висока точність перетворення, простота конструкції, можливість живлення постійним і змінним струмом, безінерційність.

1.3.1.3.2.3 Термометричні датчики (термістори), або терморезистори, призначені для виміру температури шляхом перетворення вимірюваного сигналу в зміну активного опору. Термістори бувають металеві й напівпровідникові.

Металеві термістори виготовляють з чистих металів з великим температурним коефіцієнтом опору (мідь, платина), діапазон вимірюваних температур платинових термісторів - від 200 до 600°С,
мідних - від -50 до 150°С. Точність виміру платинових термісторів 0,1°С, мідних - до 1°С. При більш високих температурах термістори
не застосовуються, тому що в діапазоні високих температур вони мають недостатню точність і сильно окисляються.

Залежність опору металевих термісторів майже лінійна

, (1.12)

де - температурний коефіцієнт опору; - опір при , Ом; - початкова температура, °С; t - вимірювана температура, °С.

Лінійність статичної характеристики в інших діапазонах температур порушується.

Залежно від призначення термістори мають різну конструкцію.
Їх виготовляють у вигляді нитки, спіралі, котушки та ін. Останнім часом термістори знайшли широке застосування для температурного контролю обмоток різних виконавчих механізмів (електродвигунів, котушок і т.ін.).

Термістори мають один істотний недолік: вони мають велику інерційність. Постійна часу термісторів змінюється від одиниць до десятків секунд і залежить від діаметра дроту.

Напівпровідникові термістори виготовляють з окису різних металів (марганцю, міді, нікелю, титана та ін.). Вони мають негативний температурний коефіцієнт опору, це означає, що зі збільшенням температури опір напівпровідника зменшується.
Найбільш широко напівпровідникові термістори застосовують
в діапазоні температур від -100 до 120°С.
У порівнянні й металевими напівпровідникові термістори мають більшу чутливість і меншу інерційність. У них високий внутрішній опір, що дозволяє не враховувати опір сполучних провідників. Недоліками напівпровідникових термісторів є вузький діапазон температур, нелінійність статичної характеристики й розкид параметрів між окремими екземплярами. Термістори знайшли широке застосування у вимірювальній техніці.

Термоанемометр - прилад для виміру швидкості газу - являє собою термоопір, виготовлений з платинової нитки, укріпленої між двома струмопровідними електродами, до яких підводить постійний струм.

Рис. 1.14 – Термоанемометр та його статична характеристика

Нагрівання нитки струмом залежатиме від умов її охолодження, а охолодження, у свою чергу, залежатиме від швидкості руху навколишню нитку газу. Статична характеристика криволінійна й знімається експериментально.

1.3.1.3.2.4 Фоторезисторні датчики, або фотоопір, знайшли широке застосування в системах автоматики для контролю з будь-яким видом переданої інформації: сигналізації, виміру й реєстрації.

ФОТООПІР - це напівпровідники, у яких число вільних електронів і електропровідність збільшуються при освітленні. Конструкція цього опору досить проста. Тонкий шар напівпровідникового матеріалу наноситься на прозору пластинку, до якої прикріплюють електроди, що здійснюють контакт із напівпровідниковим тілом. При подачі до електродів електричної напруги через напівпровідник піде струм, сила якого залежить від освітленості світлочутливої поверхні. Залежність струму від освітленості називається світловою характеристикою фотоопору.

1.3.1.3.2.5 Іонні датчики представляють різноманітну підгрупу датчиків, у яких вхідна величина функціонально пов'язана зі струмом іонної провідності, а отже і з омічним опором, що обумовлено наявністю іонів. Зі струмом іонної провідності доводиться переважно зустрічатися в рідких і газоподібних середовищах.

Прикладом електролітичного датчика є концентратомер, заснований на залежності опору r між двома електродами від концентрації розчину x. Зі збільшенням концентрації число іонів збільшується, що й викликає збільшення провідності.

Рис. 1.15 – Електролітичний датчик та його залежність опору r між двома електродами від концентрації розчину x

На принципі дії іонних датчиків розроблені й застосовуються пристрої з ядерними випромінюваннями для виміру товщини, щільності й маси матеріалів, товщини покриттів, рівнів всіляких матеріалів аж до розплавлених металів, витрати рідин і газів, газового аналізу й ін.

1.3.1.3.2.6 індукторні датчики. знайшли широке застосування в системах автоматики для наміру лінійного та кутового переміщення. Принцип дії заснований на зміні індуктивності котушки з при переміщенні якоря. Простий принцип дії дозволив створити цілий ряд конструкцій датчика. Індукторний датчик з рухливим якорем, являє собою котушку з феромагнітним осередком і з рухливим якорем. При переміщенні якоря датчика повітряний зазор змінюється, а отже, змінюється й індуктивність котушки

Струм у котушці датчика

(1.13)

де U - напруга живлення; Z - повний опір котушки; R - активний опір котушки; - індуктивний опір котушки; f - частота напруги живлення;
L – індуктивність котушки, що залежить від повітряного зазору.

Зі співвідношення видно, що при постійних U, R і f струм залежить тільки від її індуктивності, а отже від повітряного зазору. Таким чином, струм у котушці датчика пропорційний повітряному зазору тобто

де - коефіцієнт пропорційності або чутливості датчика.

Реальна характеристика індуктивного датчика відрізняється від ідеальної наявністю деякої нелінійності.

Індуктивний датчик з рухомим сердечником являє собою котушку з рухливим феромагнітний сердечником. Від середньої точки обмотки зроблений вивід, що дозволяє створити вимірювальну схему. Коли сердечник перебуває в центрі котушки, то в силу симетрії при переміщенні сердечника, наприклад вправо, індуктивність правої половини котушки збільшується, а лівої зменшується. За зміною цих індуктивностей можна виміряти значення переміщення осередка. Ці датчики застосовують для виміру значних переміщенні - до ±50 мм. Статична характеристика їх лінійна.

1.3.1.3.2.7 Магнітопружні датчики ставляться до підгрупи індуктивних датчиків, тому що принцип дії їх заснований на властивості Феромагнітних матеріалів змінювати магнітну проникність. Індуктивність же котушки прямопропорційна магнітної проникності котушки.

Магнітопружні датчики застосовують для виміру великих зусиль.

1.3.1.3.2.8 Трансформаторні датчики мають на своєму виході в заїмоіндуктивність і тому їх тип можна віднести до групи індуктивних датчиків. Вони відрізняються від індукцій датчиків тим, що використовують на виході явище електромагнітної індукції, але це явище має допоміжний характер і використовується для модулювання змін напруги на виході. Найпоширенішим типом трансформаторного датчика, що получили широке застосування в телемеханіці для передачі на відстань показань різних приладів є датчик з поворотною котушкою, називаний також індукційним перетворювачем.

Котушка датчика виготовлена у вигляді рамки, що пронизується змінним магнітним потоком, який створюється обмоткою збудження, підключеної до джерела стабілізованої напруги стандартної частоти» (напруга промислової мережі). При повороті котушки міняється значення пронизуючого її магнітного потоку, а отже, і індуцирована ЕРС.
За допомогою полюсних наконечників можна одержати прямолінійну статичну характеристику при повороті рамки на ± 70° від нейтрального положення. З'єднуючи механічним зв'язком вісь рамки з віссю стрілки приладу, що показує, можна перетворити показання приладу в електричну напругу. Достоїнством всієї підгрупи індуктивних датчиків є відсутність ковзних контактів, висока чутливість і порівнювальна простота конструкції, а недоліками - можливість роботи тільки на змінному струмі, труднощі одержання нульового значення напруги на виході датчика, необхідність запобігання від перешкод. Динамічні властивості датчиків залежать від інерційності рухливих частин.

1.3.1.3.2.9 ємнісні датчики.Ємнісні датчики призначені для перетворення вимірюваної неелектричної величини в зміну ємності. Датчик являє собою плоский конденсатор зі змінюваною ємністю.

Ємність плоского конденсатора

де Ɛ – абсолютна діалектична проникність середовища між пластинами;
s - площа пластин; d - відстань між пластинами.

Змінюючи Ɛ, s і d можна одержати три типи ємнісних датчиків.

Ємнісний датчик зі змінною відстанню між пластинами містить дві нерухливі пластини та рухливу пластину, що механічно пов'язана з вимірюваним об'єктом. Коли d₁ = d₂, то C₁ = C₂. При переміщенні рухливої пластини 3 вліво, d₁ зменшується, а d₂ - збільшується. Через цього ємність між однима пластинами збільшується, а ємність між іншими пластинами зменшується. По зміні цих ємностей можна виміряти лінійне переміщення об'єкта (практично до 0,1 мм). Статичною характеристикою такого датчика є гіпербола, що не дуже зручно для виміру переміщення.

Застосовуючи такий тип датчика, варто враховувати не ємність, а реактивний ємнісний опір,

, (1.14)

що пропорційно відстані між пластинами, тобто переміщенню, і для нього статична характеристика буде прямолінійна.

Ємнісний датчик з поворотними пластинами являє собою повітряний конденсатор, в якого одна група пластин нерухлива (звичайно через одну пластину), а інша може повертатися на деякий кут α. При повороті рухливих пластин на кут α площа перекриття і ємність датчика зменшуються. Такі датчики застосовуються для виміру кутів повороту від 0 до 180°.

Ємнісний датчик зі змінною діелектричною проникністю являє собою конденсатор зі змінним діелектриком. При різних величинах діелектричної проникності повітря й переміщуваного діелектрика утворяться два паралельно з'єднаних конденсатори

, (1.15)

де b - ширина пластин.

Звідси видно, що при переміщенні діелектрика, тобто при зміні рівня рідини, змінюється переміщення h і ємність датчика.
По зміні ємності С визначають переміщення h. Такі датчики застосовуються для виміру рівня рідини.

На принципі зміни діелектричної проникності будуються датчики для виміру вологості матеріалів, що дозволяє автоматизувати цей вимір, який займає багато часу при лабораторному виконанні за допомогою сушильних шаф. Принцип дії датчика заснований на вологості вимірюваного матеріалу, що впливає на діелектричну проникність.

Достоїнства ємнісних датчиків: висока чутливість, простота, мала інерційність. Недоліки: сильний вплив можливих побічних ємностей і сторонніх електричних полів (необхідна екраніровка), значний вплив температури (змінюються розміри пластин) і вологості (змінюється ε повітря) навколишнього середовища.

1.3.1.3.2.10 Генераторні датчики. До групи генераторних датчиків ставляться перетворювачі різних видів енергії в електричну. Найбільше застосування як датчики знаходять індукційні, термоелектричні й п'єзоелектричні перетворювачі.

1.3.1.3.2.11 індукційні датчики. Принцип дії індукційних датчиків заснований на законі електромагнітної індукції, що дає можливість безпосереднього перетворення вхідної вимірюваної величини в ЕРС без джерела додаткової енергії. До цих датчиків ставляться тахогенератори на постійний і змінний струми, що представляють собою невеликі електромашині генератори, у яких вихідна напруга пропорційна кутової швидкості обертання вала генератора. Тахогенератори використовуються як датчики кутової швидкості.

1.3.1.3.2.12 Тахогенератори постійного струму бувають двох типів: зі збудженням від постійних магнітів і з електромагнітним збудженням від незалежного джерела постійного струму. Тому що індукційна ЕРС пропорційна не тільки швидкості обертання, але й магнітному потоку:

, (1.16)

то основною вимогою до тахогенераторів є сталість магнітного потоку.

1.3.1.3.2.13 Тахогенератори змінного струму також бувають двох типів: синхронні й асинхронні.

Синхронні тахогенератори мають просту конструкцію й складаються зі статора (зовнішньої обмотки) і ротора, виконаного у вигляді постійного магніту з декількома полюсами. При обертанні ротора в статорі індуцируєтся ЕРС, значення й частота якої визначаються відомими формулами

, (1.17)

Отже зі зміною швидкості обертання разом з ЕРС змінюється й частота. Це створює незручність при використанні такого датчика в автоматичних пристроях з індуктивністю і ємністю, тому що при зміні швидкості обертання будуть змінюватися параметри (індуктивний і ємнісний опори) навантаження й самого тахогенератора, завдяки чому лінійність статичної характеристики порушується.

Рис. 1.20 – Синхронний тахогенератор його характеристики е, n = f(t)

Це явище накладає певні обмеження в застосуванні синхронних тахогенераторів. Їх використовують лише в якості, індикаторів для безпосереднього виміру швидкості обертання.

Асинхронний тахогенератор знайшов широке застосування в автоматичних схемах керування, тому що його частота не залежить від швидкості обертання ротора, що створює лінійність статичної характеристики.

Конструктивно асинхронний, тахогенератор являє собою двофазний, двигун з порожнім ротором. Дві обмотки статора зрушені на 90° і до однієї з них підходить постійна по амплітуді й частоті напруга живлення, що створює магнітний потік . Цей потік ніякого впливу на другу обмотку при нерухливому роторі не робить, тому що діє перпендикулярно її магнітної вісі. Тому при нерухливому роторі друга обмотка напруги створювати не буде.

Рис.1.21 – Асинхронний тахогенератор його характеристики е, n = f(t)

Але, коли ротор почне обертатися, то його стінки буде перетинати потік і в них з'являться струми, що створюють магнітний потік уже спрямований по магнітній вісі другої котушки. Тому що потік змінюється; по синусоїді, то й потік буде теж синусоїдальним і буде наводити внаслідок цього в другій обмотці індуцировану ЕРС:

, (1.18)

де f - частота, обумовлена тільки частотою напруги живлення; k - коефіцієнт пропорційності.

Від швидкості обертання залежить тільки потік , створюваний струмом в роторі, що залежить від потоку й частоти обертання n:

, (1.19)

Тому, що потік , прямопропорційний напрузі живлення, підтримуваній постійною, то

, (1.20)

тобто індукована, у другій обмотці ЕРС прямопропорційна швидкості обертання ротора.

1.3.1.3.2.14 Термоелектричні датчики (термопари) призначені для виміру температури. Вони складаються з двох термоелектродів 1 і 2, виготовлених з різнорідних провідників. Одні кінці цих провідників зварені, а інші служать виходом датчика, звідки знімається вихідна напруга. Точка спаю термоелектродів міститься в область контрольованої температури. Якщо температура "холодних" кінців термопари t₁ відрізняється від температури гарячого спаю t₂, то в силу термоелектричного ефекту в термоелектродах виникає термо-ЕРС Е_t, пропорційна різниці температур. Це можна пояснити тим, що енергія вільних електронів у різних металах по різному росте з ростом температури.

Рис. 1.22 – Термоелектричні датчики (термопари)

Якщо уздовж провідника існує перепад температури, то електрони на гарячому кінці здобувають більше високі швидкості, чим на холодному. Завдяки цьому виникає рух електронів від гарячого кінця до холодного, різний в різних металах. При наявності замкнутого ланцюга різний рух електронів створює струм, який можна трактувати, як результат виникнення термоелектрорушійної сили в гарячому спаї. За рахунок цієї ЕРС з'являється вихідна напруга

, (1.21)

де С - коефіцієнт пропорційності, що залежить від матеріалу провідників термопари. Виникнення термо-ЕРС дозволяє термопару називати датчиком-генератором.

Статичні характеристики більшості термопар нелінійні. Найчастіше використовуються наступні термопари: хромель-копель (до 600°С тривале нагрівання); хромель-алюмель (до 1000°С); платина-платинородий
(до 1300°C); вольфрам-молібден (до 2100°С). Термо-ЕРС при максимальній робочій температурі не перевищує 10 - 50 мВ.

Всі термопари володіють інерційністю. Постійні часу термопар залежно від конструкції можуть бути від десятих часток секунди до декількох сотень секунд.

Фоторезистори

Напівпровідникові фотоелементи - фоторезистори мають властивість міняти свій активний опір під дією падаючого на них світла. Фоторезистори мають високу чутливість до випромінювання в самому широкому діапазоні - від інфрачервоної до рентгенівської області спектра, причому опір їх може мінятися на кілька порядків. Фоторезисторам властива висока стабільність у часі, вони мають невеликі габарити й випускаються на різні номінали опорів. Найбільше поширення одержали фоторезистори, виготовлені із сірчистого свинцю, сірчистого кадмію, селенистого кадмію. Назва типу фоторезисторів складається з букв і цифр, причому в старих позначеннях букви А, К, Д позначали тип використаного світлочутливого матеріалу, у новому ж позначенні ці букви замінені цифрами. Буква, що стоїть за дефісом, при старому позначенні, характеризувала конструктивне виконання
(Г-Герметизированные, П-пленочные). У новому маркуванні ці букви також замінені цифрами. У табл. 1.4 наведені найменування найпоширеніших позначень фоторезисторів.

Таблиця 1.4

ТИПОВІ ПОЗНАЧЕННЯ ФОТОРЕЗИСТОРІВ

Світлочутливий елемент у деяких типах фоторезисторів виконаний у вигляді круглої або прямокутної таблетки, спресованої з порошкоподібного сульфіду або селеніду кадмію, в інших він являє собою тонкий шар напівпровідника, нанесеного на скляну підставу. У тому і іншому випадку з напівпровідниковим матеріалом з'єднані два металевих виводи. Схематичний пристрій фоторезистора і його включення показане на рис. 1.23.

Рис.1.23 – Схематичний пристрій фоторезистора і його включення

Залежно від призначення, фоторезистори мають різне конструктивне оформлення. Іноді це просто пластина напівпровідника на скляній підставі зі струмонесучими виводами, в інших випадках фоторезистор має пластмасовий корпус із твердими штирками. Серед таких фоторезисторів слід особливо зазначити фоторезистор ФСК-6, пристосований для роботи від відбитого світла, для чого його корпус має в центрі отвір для проходження світла до поверхні, що відбиває. Випускаються фоторезистори в металевому корпусі із цоколем, що нагадує ламповий, або в корпусі, як у герметізованих конденсаторів плівкових транзисторів.

Малогабаритні плівкові фоторезистори випускають в пластмасових і металевих корпусах із вологозахисним покриттям світлочутливого елемента прозорими епоксидними смолами. Зовнішній вигляд і розміри найпоширеніших типів фоторезисторів показані на рис.1. 24

Puc. 1.24 – Зовнішній вигляд і розміри найпоширеніших типів фоторезисторів

Фоторезистори характеризуються наступними параметрами
див. табл. 1.5: - темновим опором Rт- активним опором при повній відсутності освітлення.

Таблиця 1.5.

ПАРАМЕТРИ ФОТОРЕЗИСТОРІВ

У таблиці наведені середні значення, які визначені при освітленості
200 лк.

У деяких типів фоторезисторів темновий опір може мати значний розкид - кратність зміни опору R_т/R_св, параметром, що показує відношення темнового опору до опору при освітленому стані. Це один з найважливіших параметрів, що характеризує чутливість фоторезистору. Зі збільшенням освітленості кратність зростає за лінійним законом,
зі зменшенням - знижується. Найменшою чутливістю володіють
сірчасто-свинцеві фоторезистори, у яких кратність при освітленості 200 лк не нижче 1,2. В інших типів фоторезисторів чутливість значно вище. Важливим параметром фоторезистора є робоча напруга, під якою розуміється напруга, що гарантує тривалу роботу фоторезистора. При роботі в імпульсному режимі в серністо-кадмієвих і селеністо-кадмієвих фоторезисторів допустима напруга може в 2-3 рази перевищувати робочу. У сірчасто-свинцевих фоторезисторів робочу напругу можна прийняти рівною 0,1 R_т, де R_т - припустима потужність розсіювання, яка дозволяє тривалу експлуатацію фоторезистора при +20°С у навколишнім середовищі без небезпеки появи необоротних змін у світлочутливому шарі. Властивості фоторезисторів характеризуються також спектральними характеристиками, що показують, у якій частині спектра фоторезистор має найбільшу чутливість.

Характеристики фоторезисторів із серністо-кадмієвим світлочутливим елементом мають максимальну чутливість у видимій частині спектра, фоторезистори, виконані на основі селенистого кадмію, найбільш чутливі до червоної й інфрачервоної частини спектра, а сірчасто-свинцеві фоторезистори мають максимум чутливості в інфрачервоної, області спектра. Важливим параметром фоторезисторів є питома чутливість, що розраховується за формулою:

, (1.22)

де: - фотострум, мкА; L - освітленість, лк; S - розмір світлочутливої площадки, см²; U - напруга, прикладена до фоторезистора, B.

Якщо величину чутливості помножити на робочу напругу, то вийде інтегральна чутливість. Крім цього, властивості фоторезисторів характеризуються вольт-амперними характеристиками, які показують залежність струму через фоторезистор від прикладеної до нього напруги
рис. 1.25а. Ця характеристика лінійна в досить широких межах. Для деяких типів фоторезисторів при напругах менш робочої спостерігається нелінійність рис. 1.25б.

Рис. 1.25 – Вольт-амперна характеристик фоторезисторів

Фоторезистори мають інерційність, судити про яку можна за частотною характеристикою, наведеною на рис. 1.26. Ця характеристика виражає залежність між величиною фотоструму й частотою модуляції світлового потоку, що падає на фоторезистор. Як видно з характеристики, величина сигналу, що знімається з фоторезистора, зменшується зі збільшенням частоти модуляції світлового потоку.

Рис. 1.26 - Частотна характеристика фоторезистора

Чутливість фоторезисторів міняється (зменшується) у перші 50 годин роботи, залишаючись надалі практично постійною протягом усього терміну служби, вимірюваного декількома тисячами годин. Інтервал робочих температур для серністо-кадмієвих фоторезисторів становить від -60 до +85°С, для селеністо-кадмієвих - від -60 до +40°С і для сірчасто-свинцевих -
від -60 до +70°С.

Основною областю застосування фоторезисторів є автоматика, де вони в деяких випадках з успіхом заміняють вакуумні й газонаповнені фотоелементи. Маючи підвищену припустиму потужність розсіювання в порівнянні з деякими типами фотоелементів, фоторезистори дозволяють створювати прості й надійні фотореле без підсилювачів струму. Такі фотореле незамінні в пристроях для телекерування, контролю й регулювання, в автоматах для розбраковування, при сортуванні й рахунку готової продукції, для контролю якості й готовності всіляких деталей. Широко використовуються фоторезистори в поліграфічній промисловості при виявленні обривів паперової стрічки, контролі за кількістю аркушів, що подаються в друковану машину. У вимірювальній техніці фоторезистори застосовуються для виміру високих температур, для регулювання температури в різних технологічних процесах. Контроль рівня рідини й сипучих тіл, захист персоналу від входу в небезпечні зони, контроль за запиленістю і задимленістю всіляких об'єктів, автоматичні вимикачі вуличного висвітлення і турнікети в метрополітені - це далеко не повний перелік областей застосування фоторезисторів. Фоторезистори знайшли застосування в медицині, сільському господарстві й інших областях. У цей час важко знайти таку галузь народного господарства, де б вони не використовувалися з метою підвищення продуктивності праці, поліпшення якості продукції й полегшення праці людини.

На рис. 1.27 наведена схема пристрою, яку можна використовувати для автоматичного вмикання і вимикання світла залежно від освітленості навколишнього простору.

Рис. 1.27 – Принципова схема автоматичного вимикача освітлення

У пропонованому вмикачі в якості виконавчого органу використано безконтактний комутуючий елемент – симетричний тиристор VS1. У результаті цього забезпечується можливість живлення навантаження протягом обох напівперіодів напруги електромережі без використання потужних двухполупериодных випрямлячів.

Електронний вмикач являє собою фотореле на основі тригера Шмітта (VT1, VT2). Як фоточутливий елемент (датчик освітленості) використаний фоторезистор R1 типу ФСК-1, що у темряві має високий опір
(порядку 3,3 МОм), а при освітленні його опір зменшується в 400 разів. Фоторезистор R1 разом з резисторами RP2 і R3 утворять дільник напруги, що визначає струм бази транзистора VT1. Резистор R3 обмежує струм у дільнику при можливому влученні на R1 прямого сонячного світла. Резистор R7 визначає струм у керуючому електроді симістора VS1, a R6 служить для вирівнювання напруги на керуючому електроді й на катоді VS1, коли транзистор VT2 закритий. Це забезпечує стабільну роботу симістора.

Пристрій працює так. Удень, коли світло, опір фоторезистора R1 малий, VT1 відкритий, a VT2 закритий. Колекторний струм VT2 і, отже, струм керуючого електрода симістора майже дорівнює нулю. У цьому стані VS1 закритий, і лампочка HL1 не горить. Зі зменшенням освітленості опір фоторезистора збільшується. Струм бази VT1 починає зменшуватися. При досягненні певного рівня VT1 закривається, a VT2 відкривається, тобто тригер перемикається. Струм керуючого електрода VS1, який проходить через відкритий транзистор VT2 і резистори RP5 і R7, підтримує VS1 у відкритому стані протягом обох напівперіодів напруги мережі, і лампочка HL1 світиться на повну потужність. Вимикання здійснюється у зворотному порядку.

Регулювання порога спрацьовування здійснюється ввечері за допомогою подстроїчних потенціометрів RP2 і RP5. Фоторезистор R1 необхідно встановити так, щоб протягом дня на нього не попадали прямі сонячні промені, а вночі - штучне висвітлення. За допомогою такого пристрою можна управляти навантаженням з потужністю до 400 Вт без використання охолодного радіатора. Якщо ж необхідно збільшити потужність до 1500 Вт, VS1 вимагає охолодження. Для цього необхідний радіатор з охолодною поверхнею. Крім зазначених на схемі діодів Зенера (стабілітронів), можна також використовувати
Д816А, Д816АП, KZ714, КС527А. Симетричний тиристор можна замінити на КТ729, КТ784, BTW38, BTW42, BT853D, ВТ853Е, TIC232D.

На рис. 1.28 наведена схема ще одного пристрою, що може бути використаний для визначення кількості людей, що пройшли через певне місце, або кількості деталей, що рухаються в певному напрямку (наприклад, на конвеєрі).

Рис. 1.28 – Принципова схема фотолічильника

Фоточутливим елементом у пристрої служить фоторезистор ФСК-1. Транзистори VT1 і VT2 працюють у режимі ключа, a VT3 і VT4 зібрані, як складений транзистор і виконують роль підсилювача постійного струму. Для індикації використовується електромеханічний лічильник (ЕМБ), включений у колекторний ланцюг VT4.

За допомогою подстроїчних потенціометрів RP3 і RP4 підбирається такий режим роботи транзистора VT1, щоб він був закритий, коли освітлений фоторезистор R1. Оскільки через VT1 струм не протікає, на його колекторі буде негативний потенціал, що подається на базу VT2. У результаті цього VT2 відкритий, і нульовий потенціал з його колектора замикає підсилювач постійного струму (VT3, VT4). У ланцюзі колектора VT4 буде протікати дуже малий струм, що не викличе спрацьовування електромеханічного лічильника. Якщо в якийсь момент переривається світловий потік, спрямований на фоторезистор, його опір різко зростає, а разом з ним зростає й негативний потенціал на базі VT1; транзистор відкривається. У результаті цього закривається транзистор VT2, що забезпечує насичення VT3 і VT4. Колекторний струм VT4 збільшується й приводить до спрацьовування електромеханічного лічильника, що відраховує одного відвідувача або один предмет, що пройшов через контрольну точку.

Для фокусування світлового потоку й, тим самим, підвищення чутливості лічильника, перед фоторезистором установлюється фокусуюча лінза. У пристрої використано електромеханічний лічильник від автоматичної телефонної станції, що має опір котушки 100 Ом і струм спрацьовування 30 мА. Живиться пристрій від двох плоских батарейок, з'єднаних послідовно (2 х 4,5 В), але можна також використовувати й невеликий випрямляч, що дає на виході 9 В/0,2 А.

Замість зазначених на схемі транзисторів можна використовувати інші з аналогічним коефіцієнтом підсилювача (не менш 80). Фоторезистор ФСК-1 можна замінити на ФСК-1А, ФСК-Г1, ФСК-2, SFH203, ВРХ-60.

Датчики струму

У системах регулювання струму або тих, що діють залежно від струму, потрібні датчики, що вимірюють величину, пропорційну струму. У ланцюгах постійного струму для цього використовують сигнал е = RI, який дорівнює падінню напруги на опорі R і, по якому проходить регульований струм. При наявності електричних машин треба використовувати падіння напруги на частині обмотки замість того, щоб вводити в ланцюг спеціальний додатковий опір. У ланцюгах змінного струму застосовують трансформатор струму, на вторинні затискачі якого включають опір. Напруга на цьому опорі пропорційно величині вимірюваного струму в первинному ланцюзі.

Датчики напруги

Призначення датчиків напруги – перетворення напруги елементів первинних систем, у такий вихідний сигнал, інформативні параметри якого функціонально пов'язані з інформативними параметрами вхідного сигналу й можуть вимірятися із заданою точністю. При цьому датчики напруги повинні реалізувати ряд операцій, що дозволяють у підсумку використовувати вихідні сигнали перетворювачів наступними органами вторинних систем:

· нормування рівня сигналу;

· оперативне (динамічне) перетворення сигналу;

· зміна (зниження) потенціалу сигналу стосовно землі;

· узгодження вихідного опору датчика напруги й вхідного опору наступних органів вторинних систем;

· перетворення характеру зміни сигналу в часі (наприклад, аналоговий в дискретний);

· перетворення фізичного роду сигналу (наприклад, електричного в оптичний і навпаки);

· передача енергії, що забезпечує заданий рівень потужності вихідного сигналу.

Слід зазначити, що в конкретному датчику напруги звичайно реалізуються не всі операції, а тільки їхня частина. У той же час перша й третя операції є обов'язковими, тому що без їхньої реалізації неможливе використання сигналу у вторинних системах.

Залежно від того, у якому режимі сигналу вони використовуються, датчики напруги відносяться до статичних або динамічних. При цьому під статичним режимом розуміється режим, при якому значення вихідного сигналу можна вважати незмінним протягом часу. Під динамічним мається на увазі режим, при якому вихідний сигнал протягом часу роботи вторинної системи помітно змінюється, причому з погляду роботи вторинних пристроїв динамічна погрішність має істотне значення. З наведеного визначення слідує, що датчик напруги можна розглядати в динамічному або статичному режимі залежно від швидкодії вторинних пристроїв, з якими працюють датчики напруги. Перетворення періодичних (синусоїдальних і несинусоїдальних) напруг, при яких вторинні системи реагують на середні й діючі перетворення сигналів є динамічними, якщо діючі вторинні системи реагують на миттєві значення напруги.

Звичайно до складу датчиків напруги входять індуктивності і ємності, тому їх слід розглядати як динамічні системи. Крім того, додатковою ознакою віднесення перетворювачів до статичних або динамічних є характер зміни вхідного сигналу.

Пристрої, що задають

У кожній САР є пристрій що задає (еталон), який служить для уставки необхідного або ідеального значення регульованої величини, інакше кажучи, її рівня. Дійсне значення регульованої змінної величини в процесі регулювання повинне зрівнюватися з необхідним значенням або наближатися до нього із заданим ступенем точності.

У пристроях стабілізуючого регулювання необхідно щоб значення, що задають, залишалося постійним у часі (при тієй або інший уставці); у пристроях програмного регулювання значення, що задають, самозмінюється у функції часу за деякою програмою, що задається.

У САК відбувається безперервне порівняння вимірюваного дійсного значення .регульованої величини, що задається, із еталонним значенням. Існують два принципи, по яких здійснюється це порівняння: а) безпосереднє протиставлення ЕРС у ланцюзі або ампер-витків обмоток (гальванічне й магнітне порівняння) і б) параметричне порівняння за допомогою нелінійного моста рис. 1.29, у два плечі якого включені постійні опори, а в інші два плечі - нелінійні (електронні лампи, тиристори).

Рис. 1.29 – Нелінійний міст як порівнюючі ланки на параметричному принципі: 1 - 1 — постійні опори; 2 - 2 — нелінійні опори

На одну діагональ мосту подається, як результат виміру регульованої величини, напруга U_вх. Доти, поки ця напруга дорівнює заданої, міст перебуває в рівновазі й напруга на іншій діагоналі U_вих = 0. При відхиленні U_вх від заданого рівня опір нелінійних елементів змінюється й рівновага моста порушується. Тепер U_вих ≠ 0, а величина й знак U_вих визначаються величиною і знаком виниклого відхилення U_ВХ. Потенціометричний реостат у ланцюзі перед мостом дозволяє змінювати уставку, тобто рівень напруги U_вх. Неважко бачити, що такий міст поєднує в собі три ланки (органа): що задає, вимірювальне й порівнювальне. У багатьох САР для кожної із цих ланок застосовується окремий апарат.

Очевидно, що для правильної роботи САР необхідно, щоб напруга, що задає, зберігала постійну величину. Цю напругу можна одержати від акумуляторної батареї або з мережі, забезпечуючи сталість його включенням стабілізатора.

В електромеханічних регуляторах, у яких використовується електромагніт, тягове зусилля сердечника електромагніта з вимірювальною котушкою пропорційно регульованій величині. Натяг пружини, що протидіє тяговому зусиллю сердечника, служить величиною, що задає. Змінюючи за допомогою відповідного гвинта первісний натяг пружини, можна міняти уставку величини, що задає.

Порівнювальні елементи

Призначення пристрою, що порівнює, полягає в тому, щоб зіставляти або порівнювати сигнал від вимірювального пристрою (датчика) із сигналом від пристрою, що задає, різниця що виходить між ними – неузгодженість подається на вхід наступної (за схемою рис. 1.30) ланки – підсилювача. Тому, пристрій, що порівнює іноді називають датчиком неузгодженості.

Рис. 1.30 – Принципові схеми пристроїв, що порівнюють:

1 – сельсин-трансформатор; 2 – сельсин-датчик; 3 – тиск на вході

Відома досить велика кількість пристроїв, що порівнюють, які служать для зіставлення різних фізичних величин і діючих на різних принципах. На рис.1.30 показані основні види пристроїв, що порівнюють:
а) механічний диференціал – для порівняння кутів повороту двох валів;
б) потенціометрична схема – для порівняння двох електрорушійних сил; в) пари сельсинів – для порівняння двох кутових показників;
г) пневматична діафрагма – для порівняння тисків газу.

Існують два основних принципи, на яких заснована дія електричного пристрою, що порівнює: а) порівняння напруг або «гальванічне» порівняння; б) порівняння магнітних потоків або «магнітне» порівняння рис.1.31.
Кожний з цих принципів має свої достоїнства й недоліки, які слід враховувати при виборі типу пристрою, що порівнює, для конкретного застосування.

1. Електричне («гальванічне») порівняння являє собою порівняння в одному ланцюзі двох зустрічно включених ЕРС постійного струму – однієї, що відповідає значенню, що задане, та іншому, відповідному вірному значенню. Якщо підлягають порівнянню не ЕРС, а постійні струми, то останні змушують протікати по двох активних опорах і порівнюють за допомогою зустрічного включення падіння напруги, що відбивається на опорах. Результатом порівняння в тому й іншому випадку буде невелика за величиною напруга постійного струму, знак, тобто напрямок, якої може мінятися. Наприклад, якщо потрібна точність регулювання до 0,1%, то зазначена напруга за величиною становитиме 1/1000 частки регульованої величини. Очевидно, що настільки незначна напруга не може бути безпосередньо використана для впливу на керуючий орган, тому потрібне введення підсилювача в контур регулювання.

Рис. 1.31 – Схеми зворотних зв'язків ланцюгів за напругою і струмом:

а – гальванічний зв'язок ланцюгів; б – магнітний зв'язок ланцюгів.

1 – зворотний зв'язок по напрузі; 2 – зворотний зв'язок по струму

У контурі порівняння напруг утворюється різниця між сигналами напруг від вимірювального пристрою й від еталона, що подається звичайно на вхід підсилювача. На рис. 1.32 показано, як різниця напруг від тахогенератора (сигнал швидкості) і від потенціометра, що задає швидкість, подається на котушку, що перебуває на сталевому осереді. Друга котушка цього пристрою, що є трансформатором, передає пропорційну величину напруги на вхід підсилювача. Різниця напруг може бути також підведена до обмотки збудження електромашинного підсилювача або на сітку електронного підсилювача.

Така система дає ефективне використання матеріалів. Вся мідь вхідної обмотки служить для утворення ампер-витків (сили, що намагнічує) від різниці напруг , тобто є активною.

• ⇐ Назад
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 91011
• 12
• 13
• 14
• 15
• 16
• 17
• 18
• Далее ⇒