Датчики температуры, давления, уровня, пути

⇐ Назад

В процессе работы электротехнического и технологического оборудования возникает необходимость контролировать происходящие при этом процессы, для этого надо иметь информацию о состоянии и текущих значениях скорости, тока, момента, ЭДС, температуры, давления, уровня, положения, освещенности и т. д. Устройства, которые выдают подобную информацию в виде электрических сигналов, получили название измерительных преобразователей или датчиков.

Сигнал от датчика подается на устройство сравнения вместе с заданным сигналом, сигнал разности подается на усилитель, и этот усилительный сигнал действует на исполнительный орган, изменяющий состояние регулируемого (контролируемого) объекта.

Классифицируются датчики по следующим признакам:

- по принципу преобразования электрических и неэлектриче
ских величин в электрические величины датчики подразделяются на
пьезоэлектрические, тепловые, давления, уровня, пути, электромаг
нитные датчики, фотодатчики, оптроны, герконы, датчики Холла;

- по конструкции - контактные и бесконтактные;

- по роду тока и величине напряжения;

- по току выходного исполнительного органа;

- по конструктивным особенностям и степени защиты.

Тепловые датчики.Принцип действия тепловых датчиков основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена). Для измерения температуры преобразование происходит в промежуточную величину, например в ЭДС, электрическое сопротивление и другие величины.

Из всех существующих методов измерения температуры наиболее широко применяются термоэлектрические.

Термоэлектрическое явление заключается в том, что при соединении двух проводов А и В (рис. 5.1) из разных материалов (термопара) и создании разности температур между точкой соединения Т1 и точками свободных концов Т₀ возникает ЭДС, пропорциональная разности функций температур:

Е(Т₁,Т₀) = f(T₁)-f(T₀).

Значение термо ЭДС зависит от материалов термопары и колеблется в пределах от долей до сотен милливольт на 100 °С.

Наряду с термоэлектрическими датчиками температуры применяются терморезистивные датчики, называемые термометрами сопротивления.

Рис. 5.1. Схема термоэлектрического преобразователя

Датчики уровня.Служат для контроля уровня жидкостей в резервуарах и для подачи сигналов о регулировании этого уровня. Датчики уровня бывают: электродные, поплавковые, мембранные.

Электродный датчик применяется для контроля уровня электропроводных жидкостей. Датчик имеет короткий 1 и два длинных электрода 2, 3, закрепленные в коробке зажимов (рис. 5.2). Короткий электрод является контактом верхнего уровня, а длинный - нижнего уровня жидкости. Датчик соединяется проводами со станцией управления двигателем насоса. Касание воды короткого электрода приводит к отключению пускателя насоса, понижение уровня воды ниже длинного электрода дает команду на включение насоса.

Рис. 5.2. Электродный датчик

Электроды датчика включены в цепь катушки промежуточного реле К, которое включается во вторичную обмотку понижающего трансформатора напряжением 12 В. При подъеме уровня жидкости в резервуаре до уровня короткого электрода 1 образуется электрическая цепь: вторичная обмотка трансформатора - катушка реле К -электрод 1 - жидкость - электрод 2. Реле сработает и становится на самопитание через свой контакт К и электрод 3, при этом контакты 6 реле дают команду на отключение электродвигателя насоса. При понижении уровня жидкости ниже уровня электрода 3 реле отключается и включает электродвигатель насоса.

Поплавковый датчик (реле) применяется в отапливаемых помещениях для контроля уровня неагрессивных жидкостей. На рис. 5.3 показано схематическое устройство реле. В резервуар 10, погружается поплавок 1, подвешенный на гибком канате через блок 3 и уравновешенный грузом 6. На канате закреплены два упора 2 и 5, которые при предельных уровнях жидкости в резервуаре поворачивают коромысло 4 контактного устройства 8. При поворотах коромысло замыкает соответственно контакты 7 или 9, включающие или отключающие электродвигатель насоса.

Рис. 5.3. Поплавковый датчик (реле)

Датчики пути. Электроконтактные датчики представляют собой конечные и путевые выключатели, микропереключатели. Они кинематически связаны с рабочими механизмами и управляют приводом в зависимости от пути, пройденного рабочим механизмом. Выключатель, ограничивающий ход рабочего механизма, называется конечным выключателем. Путевые выключатели могут координировать работу нескольких приводов, производя их пуск, останов, изменение скорости в зависимости от положения, занимаемого механизмом рабочей машины.

Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавливают на неподвижных частях рабочих органов в определенном положении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплены кулачки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание.

По характеру перемещения измерительного (подвижного) органа выключатели подразделяются на нажимные, когда шток совершает прямолинейное движение и рычажные, когда движение передается через устройство в виде рычага, поворачивающегося на некоторый угол.

Выключатели, у которых срабатывание контактов зависит от скорости движения упора, называют выключателями простого действия, а выключатели, у которых переключение не зависит от скорости движения упора, называют моментными.

Нажимные выключатели выпускают в основном простого действия (рис. 5.4).

а) б)

Рис. 5.4. Датчик пути нажимной

Выключатель состоит из основания 1, неподвижных контактов 6, штока 4, опирающегося на сферическую поверхность втулки 7, несущей мостики подвижных контактов 5.

Для более надежного включения подвижные контакты 5 и неподвижные 6 поджимаются пружиной 2. При воздействии усилия шток 4 перемещается и контактные мостики переключают, т. е. отключают размыкающие и включают замыкающие контакты.

Бесконтактные путевые выключатели.В схемах управления электроприводами станков, механизмов и машин применяются преобразователи пути, работающие без механического воздействия со стороны движущегося упора. Широкое распространение получили бесконтактные переключатели щелевого типа с транзисторными усилителями, работающими в генераторном режиме. На рис. 5.5, а показан общий вид переключателя типа БВК-24. Его магнитопровод, размещенный в корпусе 4, состоит из двух ферритовых сердечников 1 и 2 с воздушным зазором шириной 5-6 мм между ними. В сердечни-

ке 1 размещается первичная обмотка w_к и обмотка положительной обратной связи w_п.с, в сердечнике 2 - обмотка отрицательной обратной связи w_о.с. Такой магнитопровод исключает влияние внешних магнитных полей. Катушки обратной связи включены последовательно - встречно. В качестве переключающего элемента используется алюминиевый лепесток (пластинка) 3 толщиной до 3 мм, который может перемещаться в щели (в воздушном зазоре) магнитной системы датчика.

а)

б)

Рис. 5.5. Бесконтактный путевой переключатель БВК-24: а - общий вид; б - схема электрическая принципиальная

Если лепесток находится вне сердечника, то разность напряжений, индуктируемых в обмотках w_nc и w_о.с, будет положительной, транзистор VT1 закрыт и генерация незатухающих колебаний в контуре w_к - С3 (рис. 8.5, б) не возникает. При введении лепестка в щель датчика связь между катушками w_к и w_о.с ослабляется (поэтому лепесток еще называют экраном), на базу транзистора VT1 подается отрицательное напряжение и он открывается. В контуре w_к - С3 возникает генерация и появляется переменный ток, который индуктирует ЭДС \в катушке w_nc в цепи базы транзистора. В цепи базы транзистора VT1 происходит детектирование переменной составляющей тока базы. Транзистор открывается, вызывая срабатывание реле К.

Для стабилизации работы транзистора при колебаниях температуры и напряжения служит нелинейный делитель напряжения, состоящий из линейного элемента - R1, полупроводникового терморезистора R2 и диода VD2.

Погрешность срабатывания составляет 1-1,3 мм. Напряжение питания переключателя БВК-24 составляет 24 В.

Переключатель обладает высокой надежностью, большой допустимой частотой срабатывания и быстродействием.

Фотодатчики

Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или иной электроприбор, электрические свойства которого (сила тока, внутреннее сопротивление или ЭДС) изменяются под действием падающего на него светового излучения.

В зависимости от среды, в которой происходит движение электронов, фотоэлементы подразделяются на:

- электронные (вакуумные) фотоэлементы, в которых движение
электронов происходит в вакууме;

- ионные (газонаполненные) фотоэлементы, в которых при движе
нии электронов в разреженном газе происходит ионизация атомов газа;

- полупроводниковые - в которых освобожденные электроны
увеличивают проводимость приборов или создают ЭДС.

В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект. Он заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (вакуум или разреженный газ).

В фоторезисторах (фотосопротивлениях) используется внутренний фотоэффект, который заключается в том, что источник излучения вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов - свободных электронов и дырок, вследствие чего электрическое сопротивление вещества уменьшается.

В полупроводниковых фотоэлементах - фотодиодах и фототриодах используется фотоэффект возникновения ЭДС.

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого резко изменяется под действием падающего на него излучения.

Фоторезистор (рис. 5.6, а) представляет собой стеклянную пластинку 1, на которую путем напыления в вакууме нанесен тонкий

слой полупроводника 2, а по краям выведены два металлических электрода 3. При изготовлении полупроводниковый слой покрывается прозрачным лаком для защиты от влаги и механических повреждений. Пластинку помещают в корпус с двумя выводами.

Через неосвещенный фоторезистор проходит малый ток, называемый темновым I_т. При освещении фоторезистора через него идет общий ток I_св.

Разность между общим и темновым токами называется фототоком Iф.

В качестве полупроводника применяется сернистый свинец (фотоэлемент ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).

Свет

а)

б)

Рис. 5.6. Фоторезистор: а — устройство; б — условное графическое и буквенное обозначение

св

// BL

- и +

U

а) б)

Рис. 5.7. Фоторезистор: а - схема соединения; б - вольтамперная характеристика

Фоторезистор характеризуется интегральной чувствительностью к световому потоку, мкА/лм

Фоторезисторы обладают значительной инерцией, нелинейной зависимостью фототока от светового потока и сильной зависимостью электрического сопротивления от температуры, что является их недостатком.

Фоторезисторы нашли широкое применение в промышленной электронике, автоматике, вычислительной технике.

Полупроводниковый фотоэлемент - представляет собой прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает ЭДС, называемая фото-ЭДС.

Фотодатчики используют в схемах защиты, обеспечивающих отключение установки при попадании в опасную зону обслуживающего персонала, для подсчета деталей, контроля целостности режущего инструмента.

Фотореле разрабатываются на базе фоторезисторов (рис. 8.8) и применяются для управления наружным освещением улиц, площадей, территорий предприятий.

Рис. 5.8. Схема электрическая принципиальная фотореле

Оптоэлектрические датчики

Оптроны и оптоэлектронные реле является одним из основных элементов оптоэлектроники, получивших распространение в последние годы. Он состоит из источника - светоизлучателя (светодиода) и приемника излучения (светочувствительного детектора, фотодиода, фототранзистора или фототиристора), связанных оптической средой и конструктивно объединенных в одном корпусе (оптопара).

Диодные оптопары характеризуются термостабильностью, линейностью характеристик и используются в быстропереключающихся схемах.

Герконы

Магнитоуправляемые контакты впаяны в стеклянную колбу, заполненную азотом или инертным газом, т. е. изолированы от внешней среды (герметизированы), поэтому их называют сокращенно герко-нами, что значит герметизированные контакты.

Контакты 1 (рис. 5.9) изготавливают из сплава железа с никелем.

Если к стеклянной колбе 3 геркона поднести постоянный магнит 5 с полюсами N и S (рис. 5.9, б), то контакты 1 намагничиваются и притягиваются друг к другу. При перемещении магнита на некоторое расстояние контакты разомкнутся.

Герконовое реле. Если вместо постоянного магнита на стеклянную колбу 3 геркона расположить обмотку управления постоянного тока 4 (рис. 5.9, а), то при включении реле по обмотке катушки будет протекать ток, образуется магнитное поле, которое намагничивает контакты 1, в результате чего они притягиваются друг к другу и при этом замыкают цепь управления.

а)

б)

Рис. 5.9. Герконы: а - герконовое реле; б - герконовый путевой выключатель

Герконы и герконовые реле отличаются малыми габаритами, незначительной массой, высокими быстродействием и надежностью, виброустойчивостью, стабильностью контактного сопротивления.

Датчики скорости

Для получения информации о частоте вращения электродвигателя применяются тахогенераторы постоянного и переменного тока, которые преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал.

Тахогенераторы. Тахогенераторы постоянного тока (рис. 5.10, а) представляют собой небольшие генераторы постоянного тока с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Их устройство не отличается от устройства обычных машин постоянного тока. Основной характеристикой тахогенератора является зависимость выходного напряжения U_вых от угловой скорости со:

Схема асинхронного тахогенератора переменного тока показана на рис. 5.10, б. Устройство таких тахогенераторов не отличается от устройства асинхронного однофазного двигателя.

Для измерения частоты вращения вал двигателя механически соединяется с валом тахогенератора посредством передачи или встраивается в машины.

а) б)

Рис. 5.10. Электрические схемы тахогенераторов: а - постоянного тока; б - переменного тока

Датчик Холла

Основан на эффекте Холла - электромагнитном эффекте, в основе которого лежит отклонение движущихся электронов в магнитном поле.

В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила.

Вектор силы перпендикулярен направлению, как магнитной так и электрической составляющих поля.

Если внести в магнитное поле с индукцией В (рис. 5.11, а) полупроводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимо-нида индия), через которую протекает электрический ток, то на боковых сторонах, перпендикулярно направлению тока, возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорционально току и магнитной индукции.

2 3

а) б)

Рис. 5.11. Датчик Холла: а - эффект Холла; б - датчик Холла

Датчик состоит из постоянного магнита 2, пластины полупроводника 1 (рис. 5.11, б) и интегральной микросхемы. Между пластинкой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран 3. Когда в зазоре нет экрана 3, то на пластинку 1 полупроводника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциалов. Если же в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластинку не действует, в этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.

Интегральная микросхема преобразует разность потенциалов, создающуюся на пластинке, в отрицательные импульсы напряжения определенной величины на выходе датчика. Когда экран находится в зазоре датчика, то на его выходе будет напряжение U_max, если же в зазоре датчика экрана нет, то напряжение U_mi_n на выходе датчика близкое к нулю.

Реле, реализующие функции датчиков (реле времени, напряжения, тока)

В качестве датчиков времени используются реле времени различной конструкции [4].

Рис. 5.12. Электромагнитное реле времени

Электромагнитное реле времени. Электромагнитное реле времени постоянного тока состоит из неподвижной части магнитопрово-да 2 (рис. 5.12) и подвижной части магнитной системы (якорь 6). На неподвижной части магнитопровода установлена катушка 1. Реле имеет неподвижные контакты 8 и подвижные 9, укрепленные на подвижной части.

Включение реле происходит, как у электромагнитного реле без выдержки времени. При подаче напряжения на катушку реле 1 якорь 6 притягивается к сердечнику 2.

Выдержка времени обеспечивается за счет замедления возврата якоря в исходное положение при отключении напряжения с катушки. Замедление обеспечивает медная гильза 3, которая и обеспечивает выдержку времени. Спадающий магнитный поток создает в гильзе, по Закону Ленца, ЭДС и ток направленный так, что поток, создаваемый гильзой, препятствует уменьшению магнитного потока в магнитопроводе. Замедленное спадание потока создает выдержку времени при отпускании. Наличие медной гильзы замедляет спадание магнитного потока, т. е. якорь на некоторое время удерживается на сердечнике магнитопровода, а затем происходит отпадание якоря, а, следовательно, и переключение контактов реле с выдержкой времени.

Выдержка времени реле регулируется ступенчато количеством или размером гильз, одеваемых на магнитопровод, а также толщиной немагнитной прокладки 7 определенной толщины, закрепляемой на якоре 6 (уменьшение толщины прокладки вызывает увеличение выдержки реле и наоборот). Предусмотрена и плавная регулировка за счет изменения натяжения пружины 4 с помощью гайки 5. Чем меньше будет затянута пружина, тем больше будет выдержка времени и наоборот.

Выпускаются несколько типов электромагнитных реле времени. Реле РЭВ 811...РЭВ818 обеспечивают выдержку времени от 0,25 до 5,5 с. Изготавливаются с катушками на напряжение постоянного тока 12,24,48, ПО и 220 В.

Пневматическое реле времени. Пневматическое реле времени типа РВП 72 (рис. 5.13) состоит из электромагнита, пневматического демпфера (замедлителя) и микропереключателя.

При подаче напряжения на катушку 3 якорь электромагнита 4 двигаясь, по направляющим 2 втягивается внутрь катушки и освобождает хвостовик 5, связанный с диафрагмой 10. Нижняя полость 7 диафрагмы свободно сообщается с атмосферой, а верхняя полость 11 — через регулируемое отверстие, дроссель 14 и выпускной клапан 8, поэтому скорость перемещения хвостовика зависит от сечения дросселя, так как через него происходит засасывание воздуха из воздушной камеры 12 (через отверстие 14) в верхнюю полость диафрагмы. Сечение дросселя регулируется с помощью иглы 13 и гайки 15, причем, чем больше сечение дросселя, тем меньше выдержка времени реле. Переключение контактов происходит в тот момент, когда хвостовик опустится в крайнее нижнее положение и рычагом 17 нажмет кнопку микропереключателя 16.

9 10 11 12 13 14 15

2 1

Рис. 5.13. Пневматическое реле времени

Рис. 5.14. Электронное реле времени

Электронные реле времени (рис. 5.14) в своих схемах используют полупроводниковые элементы (транзисторы). Выдержка времени реле определяется временем заряда или разряда конденсаторов.

В исходном положении контакт K замкнут, конденсатор С будет заряжаться с полярностью, показанной на рис. 5.14. Команда на начало отсчета времени подается при размыкании управляющего контакта K.

После чего начинается разряд конденсатора С через резистор R2 и переход эмиттер - база транзистора VT2 отрицательного потенциала. Он откроется, по обмотке реле KV начнет протекать ток, оно сработает и переключит свои контакты. Отсчет времени закончится. Выдержка времени реле определяется временем разряда конденсатора С, которое зависит от величины его емкости и сопротивления резистора R2. Регулируя эти величины, можно установить требуемые выдержки времени реле. Серийно выпускаются электронные реле времени серии ВЛ46, ВЛ56, которые обеспечивают выдержку времени от 0,1 до 10 мин.

В качестве датчиков тока и напряжения используются реле тока и напряжения. Их катушки включаются непосредственно в цепь контролируемого электроприемника (двигателя). В некоторых схемах реле включаются с трансформаторами тока и напряжения, что позволяет отделить цепи управления от силовых цепей. При достижении током уровня срабатывания или отпускания реле происходит соответствующее переключение контактов в цепи управления двигателем. Реле тока реализуют минимально токовую и максимально токовую защиту электродвигателей, систем электроснабжения промышленных предприятий.

Реле напряжения используются, как реле минимального напряжения. При снижении напряжения сети на 60-70 % от номинального U_ном

или полного его исчезновения отключается реле минимального напряжения и своими контактами отключает питание схемы управления.

6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ УПРАВЛЕНИЯ

Для регулирования частоты вращения, вращающего момента на валу, для соединения и разъединения ведущего и ведомого валов применяются электрические аппараты в виде муфт с электрическим управлением. Эти муфты можно подразделить на индукционные и электромагнитные.

Индукционные муфты (рис. 6.1) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Приводной двигатель соединяется со сплошным якорем 1, ведомый вал связан с индуктором 2. Катушка возбуждения 4 создает постоянный магнитный поток 5, замыкающийся по якорю 1. При вращении якоря магнитное поле катушки индуктора пересекает цилиндрическое тело якоря, и в нем наводятся вихревые токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создает силу, которая увлекает индуктор в направлении вращения якоря. Материал якоря должен обладать малым удельным электрическим сопротивлением, что обеспечивает возникновение достаточно больших вихревых токов, и высокой магнитной проницаемостью для получения возможно больших значений магнитного потока.

Регулируя ток возбуждения I_в и тем самым меняя магнитное поле, можно плавно регулировать в широких пределах частоту вращения и передаваемый вращающий момент ведомого вала.

Рис. 6.1. Индукционная муфта:

7 — якорь; 2 — индуктор; 3 — магнитная система; 4 — катушка возбуждения; 5—магнитный поток

На рис. 6.2 показаны механические характеристики индукционной муфты. На этом рисунке I_в*= I_в/I_в.ном — ток возбуждения в относительных единицах; М_* =М/М_ном— передаваемый момент в относительных единицах, где М_ном — номинальный момент муфты; I_в.ном — соответствующий ему номинальный ток возбуждения; п — частота вращения в процентах частоты вращения при отсутствии на ведомом валу нагрузки.

При увеличении момента нагрузки угловая скорость ведомого вала уменьшается. При этом возрастают скольжение и токи, наводимые в якоре муфты. Увеличение токов в якоре увеличивает момент, развиваемый муфтой и передаваемый на ведомый вал.

Механические характеристики индукционной муфты существенно зависят от нагрузки. Поэтому для стабилизации скорости применяются специальные регулирующие устройства.

Более широко применяются электромагнитные муфты, в которых используется электромагнитное усилие притяжения между ферромагнитными телами. Эти муфты удобны в эксплуатации, имеют малые габаритные размеры и небольшое время срабатывания, передают большие мощности на валу при сравнительно малой мощности управления. Ниже рассматриваются фрикционные, ферропорошковые и гистерезисные электромагнитные муфты.

Рис. 6.2. Механические характеристики индукционной муфты при различном токе возбуждения

⇐ Назад