Основы автоматики и автоматизации. Элементы систем автоматики

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Промышленный и городской транспорт»

Учебное пособие

для студентов Заочного факультета

Основы автоматики и автоматизации. Элементы систем автоматики

Санкт-Петербург 2008

УДК 658.011.56

Е.П. Дудкин, Г.И. Коропальцев, А.А. Зайцев, И.Ю. Князев

Основы автоматики и автоматизации: Учебное пособие. Часть 1: Элементы систем автоматики - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2008. - 64 с.

В учебном пособии представлен краткий исторический обзор развития механизации и автоматизации, даны основные понятия и определения, классификация, характеристики и параметры автоматических систем и элементов, составляющих эти системы. Наиболее подробно рассмотрены элементы для приёма, преобразования и передачи информации, используемые при автоматизации производственных процессов в строительстве, путевом хозяйстве железнодорожного транспорта, а также в системах водоснабжения и водоотведения.

Предназначено для студентов заочной формы обучения, изучающих дисциплины «Основы автоматики и автоматизации», может быть рекомендовано для студентов вечернего факультета и слушателей курсов повышения квалификации по строительным специальностям.

Содержание

Введение

1. Основные понятия и определения

1.1 Классификация автоматических систем и их структура

1.2 Основные характеристики и параметры элементов автоматики и систем

1.3 Структура автоматических систем

2. Элементы автоматики для приема информации (датчики)

2.1 Параметрические датчики

2.2 Генераторные датчики

3. Элементы автоматики для преобразования информации

3.1 Схемы включения датчиков

3.2 Усилители

3.2.1 Электромеханические усилители

3.2.2 Электрические усилители

3.3 Реле

3.4 Распределители

4. Элементы автоматики для передачи и приёма информации

5. Элементы автоматики для использования информации

Введение

Автоматизация в современном производстве играет огромную роль, т.к. при её использовании решаются следующие задачи:

Высвобождается труд человека;

Значительно сокращаются затраты энергии и материалов на изготовление продукции;

Повышается коэффициент использования основного оборудования;

Возрастает производительность труда за счёт увеличения скорости выполнения операций;

Улучшается качество выпускаемой продукции за счёт увеличения точности;

Обеспечивается выполнение работ и функционирование таких объектов, где непосредственное участие человека невозможно. Это, прежде всего, работа химических и энергетических установок из-за повышенной опасности; управление различными летательными аппаратами, в том числе и в освоении космоса, из-за значительной удалённости; и, наконец, контроль и управление быстро протекающих процессов, которые человек выполнить физически не способен.

Кроме этого, автоматизация имеет огромное социальное значение:

- изменяются условия и характер труда;

- сокращается время выполнения работ за счёт увеличения производительности;

- стираются границы физического и умственного труда;

- использование ЭВМ - способствует повышению культуры умственного труда.

Специфика автоматизации в строительстве и путевом хозяйстве железнодорожного транспорта существенно отличается от других отраслей промышленности, где широко используются автоматические системы различных модификаций. Это объясняется некоторыми особенностями выполнения работ при строительстве и эксплуатации железных дорог, а главные из них следующие:

Большое разнообразие возводимых сооружений (от строительства самой железной дороги до строительства различных сооружений по этой дороге);

Широкая разнохарактерность выполняемых работ - от земляных до монтажных;

Обширность и растянутость территорий, где выполняются эти работы;

Удалённость возводимых объектов от культурных и промышленных центров, а также от источников энергообеспечения;

Разнообразие окружающих условий, в которых производятся работы. Климатические, геологические, гидрогеологические условия;

Но, несмотря на это, автоматизация широко применяется при строительстве железных дорог и выполнении путевых работ, таких как:

земляные работы;

изготовление бетонных и железобетонных изделий;

монтажные работы;

производство транспортных и погрузо-разгрузочных работ;

контроль выполнения работ и их учёт, а также контроль текущего состояния железнодорожного полотна.

Кроме того, средства автоматики широко используются для обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте (автоматизированные стрелочные переводы, автоблокировка на участках с электрической тягой и, конечно, сигнализация и связь).

История механизации и автоматизации уходит далеко в прошлое, но наиболее полно проявляется с развитием техники и, особенно с использованием электроэнергии начиная с XVIII века.

Конец XVII и начало XVIII веков характеризуется первыми разработками механизмов и приборов с заложенными в них элементами автоматизации:

Братьями Бажениными (Архангельск) была сооружена пильная самодействующая мельница.

Механик Терентий Иванович Волосков (1729 - 1801) изготовил часы, производившие астрономические вычисления.

1742г. М.В. Ломоносов применил водяной привод насоса для подъёмной лебёдки. Изучая атмосферное электричество, он много работал над созданием метеорологических приборов. В 1759г. он изобрёл самопишущий компас, который представлял собой первый в мире автоматический регистрирующий прибор.

1763г. И.И. Ползунов создал промышленную двухцилиндровую паровую машину - первый двигатель для всеобщего применения на производстве. В 1765г. им был применен первый автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины, идея которого заложена в основу всех современных автоматических регуляторов.

1809г. В институте инженеров путей сообщения разработан проект плавучей землечерпалки мощностью 15 л.с., которая была построена на Ижорском заводе и являлась прообразом первого многоковшового экскаватора.

В 1830г. инженером П.П. Мельниковым были разработаны теоретические основы гидромеханизации. Гидравлический метод нашел широкое применение в золотопромышленности.

1832г. Профессор П.Л. Шиллинг, изобретатель первого электромагнитного телеграфа, разработал для него первое релейное устройство для управления сигнальным звонком.

В 1839г. академик Б.С. Якоби (изобретатель двигателя постоянного тока) создал первый электрический регистрирующий прибор, используемый в системах автоматического контроля. В 1842г. инженер К.И. Константинов его усовершенствовал, и важным событием было изобретение совместно с Б.С. Якоби импульсного устройства автоматического управления.

В 1848г. инженером К.И. Константиновым был создан первый шаговый электродвигатель, являющийся прототипом современного шагового электромагнитного привода.

С ростом объёмов железнодорожного строительства в России создаются различные путевые машины. Так, в 1862г. был построен первый специальный вагон с опрокидывающимся кузовом для перевозки балласта, а в 1880г. был применён первый в мире путеукладчик при строительстве Закаспийской железной дороги.

В 1887г. инженером И.Н. Ливчаком был сконструирован и создан первый путеизмерительный вагон, а позднее в 1913 году по разработке Н.Е. Долгова построен путеизмерительный вагон усовершенствованной конструкции.

1874г. В.Н. Чиколев изобрёл электромашинный усилитель - основу современной электромашинной автоматики.

В 1882г. инженер Н.И. Захаров продемонстрировал прототип современного устройства автоматического копирования - программный регулятор.

1895г. А.С. Попов (изобретатель радио) создал первенец радиотехники - грозоотметчик, в котором использовался им же изобретённый прибор для обнаружения и регистрации электромагнитных колебаний, а в 1898 году сделаны первые шаги в области телеуправления. Талантливый физик Н.Д. Пильчиков продемонстрировал во время своей публичной лекции в Одессе часы, модель семафора и маяка, которые приводились в действие радиосигналами.

Нельзя не упомянуть и работы зарубежных учёных в развитии и разработке различных автоматических устройств. Это и английский учёный Дж.К. Максвелл («Трактат об электричестве и магнетизме»), который еще в 1868г. разработал основные принципы автоматического регулирования. Это и изобретение американским ученым А.Г. Беллом в 1876 году телефона. Это и изобретенный еще в 1784 году Уаттом механический центробежный регулятор скорости вращения, применяемый широко и до настоящего времени.

Создание теории систем автоматического управления и регулирования относится ещё к 70-м годам XIX века и связано с именами таких русских учёных как И.А. Вышеградский, А.М. Ляпунов, Н.Е. Жуковский, П.Л. Чебышев.

С ростом промышленности, транспорта, развитием электрификации и атомной энергетики разработки в области автоматизации находят все более широкое практическое применение, как за рубежом, так и в нашей стране. Последняя же треть ХХ века ознаменована громадными достижениями в области микроэлектроники, освоения космического пространства и создания совершенно новых приборов и технологий, которые успешно используются в настоящее время в строительстве и в путевом хозяйстве.

1. Основные понятия и определения

В развитии автоматизации прослеживаются два основных направления: механизация и автоматизация

Механизация - это замена мускульной силы человека машинами и механизмами.

Автоматизация - применение приборов, приспособлений и машин, позволяющих осуществлять контроль и управление каким-либо процессом без участия человека.

В обоих направлениях различают частичную, полную и комплексную механизацию и автоматизацию. Оба эти направления связаны друг с другом, причём автоматизация - является высшей ступенью механизации.

Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения автоматических систем, практического их использования и применения для них необходимых технических средств.

Телемеханика (от слова tele - даль, далеко) - это наука, которая изучает и создаёт устройства для контроля и управления на значительных расстояниях, используя различные линии связи как проводные, так и беспроводные, т.е. это - автоматика на расстоянии. При этом телемеханика решает и проблемы, связанные с помехозащищённостью устройств автоматики при больших протяжённостях используемых линий связи.

Кибернетика - наука об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации в машинах, живых организмах и их объединениях. Она изучает то общее, что характерно для всех процессов управления, независимо от их физической природы. Кибернетика является теоретической основой автоматизации производства и объединяет три научных направления:

1. Теорию информации;

2. Теорию программирования;

3. Теорию систем управления.

Следует заметить, что длительное время кибернетика в нашей стране была вне закона (Толковый словарь 1954г. трактовал это понятие как реакционная лженаука). Ярчайший пример, когда политика вмешивается в науку. А ведь в конце 30-х годов в нашей стране велись значительные разработки в области генетики и кибернетики.

Генетика - наука об информации, которая заложена в клетке и передаётся по наследству от растения к растению, от человека к человеку.

Теория информации - это раздел кибернетики, в котором математическими методами изучают способы измерения различной информации.

Информация - это сведения, передаваемые людьми, и не только, различными методами и способами. Это общее научное понятие, включающее в себя обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передача признаков от клетки к клетке, от человека к человеку.

За единицу информации принимают количество её, содержащееся в случайной величине, принимающей с равной вероятностью два различных значения «да» и «нет», (0 - 1).Такая единица называется двоичной и называется 1 бит. 1 бит = log22, а 8 бит = 1 байт

Количество информации на одно сообщение определяется как: = log2m, где m - число возможных исходов события.

Двоичная система связана с появлением такого элемента автоматики как реле, и первые ЭВМ строились именно на них.

1.1 Классификация автоматических систем и их структура

Под системой понимается нечто, состоящее из отдельных элементов, и свойства которого не сводятся к свойствам этих элементов.

Современные автоматические системы делятся в зависимости от их функций, выполняемых в производственном процессе, на четыре основных вида:

. Системы автоматического контроля (САК), предназначенные для контроля работы объектов в целом или для контроля его отдельных технологических параметров. Такие системы чаще называют измерительными системами.

Основные задачи, решаемые САК - измерение, сигнализация и учёт.

. Системы автоматической защиты (САЗ), предназначенные для защиты машин, механизмов, приборов и других устройств от перегрузок, аварийных режимов, при достижении критических значений отдельных параметров, а также для защиты человека, участвующего в производственном процессе.

. Системы автоматического управления, предназначенные для автоматического управления производственным процессом или его отдельными технологическими составляющими в оптимальном режиме или по определённой программе.

IV. Системы автоматического регулирования (САР), служащие для поддержания технологических параметров на заданном уровне или изменение этих параметров по определённому закону.

Всякая система характеризуется, прежде всего, двумя параметрами: входным и выходным (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Основные параметры автоматической системы

Под входным параметром понимается информация или воздействие, подаваемое в систему, а под выходным - реакция системы на это входное воздействие.

Любая автоматическая система, в свою очередь, состоит из отдельных связанных между собой и выполняющих определённые функции конструктивных элементов, которые принято называть элементами (звеньями) автоматических систем. По функциональному назначению в системе эти элементы можно подразделить на следующие четыре основные группы:

1) Элементы для приёма информации, чаще называемые первичными преобразователями или датчиками.

2) Элементы для преобразования информации к виду более удобному для обработки, для передачи на расстояние или непосредственно исполнительным устройствам. К ним относятся измерительные схемы, усилители и распределители.

3) Элементы для передачи и приема информации, когда это необходимо, и для обработки принятой информации.

4) Элементы для использования информации, к которым относятся измерительные и регистрирующие приборы, а также исполнительные устройства, с помощью которых оказывается необходимое воздействие на объекты автоматизации.

Помимо этого, существует группа вспомогательных элементов, обеспечивающих нормальное функционирование четырёх перечисленных групп, а это различные источники питания, генераторы и стабилизаторы.

Внутри каждой из перечисленных групп необходимо различать элементы автоматики и по другим признакам:

- по форме энергии на входе и выходе. Так у одних элементов имеет место преобразование формы энергии на выходе по сравнению с видом энергии на входе (электродвигатели); у других элементов вид энергии сохраняется, хотя внутри самого элемента энергия может принимать другие промежуточные формы (трансформаторы);

- по виду преобразования - элементы с непосредственным преобразованием энергии и элементы с промежуточным преобразованием;

- по соотношению величин входной и выходной энергии есть пассивные элементы и активные. В пассивных элементах выходной сигнал формируется только за счёт входного (Рвых<Рвх), причём, если форма энергии на входе и выходе одинакова, такие элементы называются элементами редуцирующего типа (редуктор, трансформатор). Если же форма энергии преобразуется в другую (чаще всего электрическую), такие элементы называются элементами генераторного типа (термопары, вентильные фотоэлементы).

Активные элементы, как правило, содержат дополнительный источник энергии, за счет которого Рвых > Рвх. В таких элементах происходит усиление сигнала по мощности. Во всех активных элементах происходит управление потоком энергии от источника к нагрузке с помощью входного сигнала. Это процесс носит название модуляции, поэтому активные элементы часто называют элементами модуляторного типа.

При использовании элементов автоматики очень важно знать, как они реагируют на изменение входной величины.

- в одних элементах выходная величина изменяется непрерывно с изменением входной (элементы непрерывного действия);

- в других - наблюдается скачкообразное изменение выходной величины при непрерывном изменении входной (релейные элементы);

- некоторые элементы, кроме этого, реагируют на знак входной величины (реверсивные элементы, часто называемые дифференциальными).

1.2 Основные характеристики и параметры элементов автоматики и систем

О свойствах элементов, составляющих автоматическую систему, и самих систем принято судить по их основным характеристикам и параметрам, а они следующие:

1) Статическая характеристика, которая представляет собой функциональную зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме хвых = f(xвх) при t > ?.

На рис. 1.2. представлены различные виды статических характеристик.

Линейная характеристика (прямая 1) имеет вид хвых=kхвх, где k - статический коэффициент передачи, .

Нелинейная статическая характеристика (кривая 2) имеет дифференциальный коэффициент передачи, определяемый при конкретном значении входного параметра, например, хвх=х1.

Нелинейная характеристика с разрывом второго рода, называемая релейной, (кривая 3) имеет два значения выходного параметра:

2) Временнбя или динамическая характеристика - зависимость выходной величины от времени хвых = f(t) при определенном воздействии входного сигнала. В теории систем автоматического управления и регулирования за типовое воздействие на систему или элемент принимается, чаще всего, единичная функция (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Единичная функция

Временную характеристику обычно называют переходным процессом (рис. 1.4).

3) Частотная характеристика - зависимость выходной величины от частоты изменения входного параметра хвых = f() при постоянной амплитуде входной величины (рис. 1.5).

1.3 Структура автоматических систем

Для некоторых автоматических систем, особенно, таких как системы контроля и системы программного управления имеет место последовательное соединение элементов (звеньев), составляющих эти системы (рис. 1.6). При такой структуре имеются только прямые связи и такие системы считаются разомкнутыми. В них выходная величина каждого звена является входной для следующего за ним элемента, и сигнал проходит только в одном направлении - от входа к выходу.

Рис. 1.6. Структура разомкнутой автоматической системы

Но большинство современных автоматических систем, таких как САЗ, САР и большинство САУ, строятся по замкнутому принципу, т.е. в них используется обратная связь. Под обратной связью понимают параллельное соединение элементов, при котором направление действия сигналов не совпадает (рис. 1.7)

Здесь часть выходного сигнала поступает на вход этого же элемента (либо на вход одного из предшествующих элементов), при этом, если сигнал обратной связи по знаку совпадает с входным сигналом, имеет место положительная обратная связь, при этом величина выходного сигнала увеличивается. В противном случае имеет место отрицательная обратная связь, при которой выходная величина уменьшается. Следует заметить, что для улучшения качества автоматических систем чаще используется именно отрицательная обратная связь.

В зависимости от характера элемента обратной связи (его статической характеристики) может иметь место:

а) жёсткая обратная связь, при которой хос в любой момент времени пропорционален хвых:

,

б) гибкая обратная связь, когда:

,

в) запаздывающая обратная связь, если хос на интервал времени t отстает от хвых.

Принято считать, что если в системе имеется хоть одна обратная связь, такая система является замкнутой.

Системы автоматического контроля (рис. 1.8, а) и защиты (рис. 1.8, б), как правило, имеют одинаковую структуру, отличающуюся только характером и назначением последнего элемента:

Здесь ОА - объект автоматизации, ИУ - измерительное устройство - для измерения параметра хвх, характеризующего поведение объекта или протекание какого-либо процесса, и преобразования его к более удобной для дальнейшего использования величине х1. В системах автоматического контроля последним элементом является РУ - регистрирующие устройство для визуальной индикации или записи измеряемого параметра на какой-либо носитель информации (бумагу, фоточувствительные материалы, магнитные, электронные и другие запоминающие устройства).



Рис. 1.8. Структуры автоматических систем:

а - системы автоматического контроля, б - системы автоматической защиты

В системах автоматической защиты на выходе устанавливается исполнительный элемент ИЭ, который производит либо прерывание протекающего процесса, т.е. воздействует на объект автоматизации, либо сообщает об этом соответствующим световым или звуковым сигналом.

Рассмотренные системы могут быть и замкнутыми, но это, в конечном счете, определяется структурой измерительного устройства.

Системы автоматического управления и автоматического регулирования также могут быть разомкнутыми и иметь структуру, представленную на рис. 1.9, где: ЗУ - задающее устройство, вырабатывающее определенную команду или последовательность команд на управление объектом автоматизации или регулирование какого-либо параметра на объекте; УУ - усилительное устройство, преобразующее заданный сигнал в параметр х1 для связи с исполнительным элементом - ИЭ, который своим сигналом управления ху воздействует непосредственно на объект автоматизации ОА.

Рис. 1.9. Структура разомкнутой автоматической системы управления и регулирования

Но в таких разомкнутых системах при воздействии какого-либо внешнего возмущающего фактора zв состояние объекта автоматизации может измениться, а, следовательно, изменится его выходной управляемый параметр хвых. Для исключения этого необходим постоянный контроль выходного параметра на объекте автоматизации. Поэтому современные системы управления и регулирования структурно строятся замкнутыми (рис. 1.10), т.е. с использованием элемента обратной связи - ОС, который выполняет функции контроля состояния объекта автоматизации.

Рис. 1.10. Структура замкнутой автоматической системы

В таких системах сигнал обратной связи хос, в зависимости от отклонения управляемого параметра на объекте автоматизации, поступает на элемент сравнения, в котором он сравнивается с заданным значением и вырабатывается разностный сигнал х. Этот сигнал с помощью усилительного устройства УУ воздействует на исполнительный элемент ИЭ и он, в свою очередь, соответствующим сигналом управления ху восстанавливает требуемое значение управляемого параметра на объекте автоматизации.

Современные системы автоматического регулирования (САР) - имеют такую же структуру (т.е. системы замкнутые) и отличаются от САУ, в основном, характером задающего устройства - ЗУ.

Следует заметить, что любое составляющее звено перечисленных систем автоматики может представлять совокупность нескольких элементов, соединённых между собой и выполняющих определённые функции в этом звене, т.е. являться, в некоторых случаях, и автоматической системой. Особенно это относится к элементам обратной связи, которые в большинстве случаев являются измерительными устройствами или системами, такими как САК (см. вторую часть настоящего учебного пособия).

автоматика датчик усилитель реле

2. Элементы автоматики для приема информации (датчики)

Датчики являются основными элементами автоматики, предназначенными для приёма информации и преобразующими контролируемый или регулируемый параметр в более удобную для дальнейшего использования величину. В измерительной технике эти элементы часто называют первичными преобразователями. От выбора датчика во многом зависит точность и надёжность работы всей автоматической системы в целом.

Как элементы автоматики, датчики могут классифицироваться по различным показателям, например, по назначению, т.е. по характеру входной измеряемой величины, либо по принципу преобразования. Но лучше всего различать датчики по характеру выходной величины, а по этому показателю они бывают:

- механические;

- гидравлические и пневматические;

- электрические.

Поскольку основным видом энергии, как более дешевой и используемой в современных автоматических системах, является электрическая энергия, остановимся более подробно на электрических датчиках, которые подразделяются на две основные группы: параметрические и генераторные.

У параметрических датчиков под воздействием входной величины изменяются их внутренние параметры, такие как электрическое сопротивление (активное или реактивное). Для работы этих датчиков необходимы и соответствующие источники питания.

Работа генераторных датчиков основана на непосредственном преобразовании входной величины (в большинстве случаев неэлектрической) - в электрическую, и они могут использоваться без источников питания. Выходной величиной таких датчиков является э.д.с. или электрический ток, протекающий под действием этой э.д.с.

2.1 Параметрические датчики

Параметрические датчики по их устройству и принципу преобразования делятся на:

а) контактные;

б) реостатные;

в) тензочувствительные;

г) электролитические;

д) термосопротивления;

е) емкостные;

ж) индуктивные;

и) магнитоупругие и магнитострикционные;

к) ионизационные.

Принцип работы контактных датчиков основан на преобразовании механических перемещений (линейных или угловых) в электрический сигнал путём подключения или отключения источников питания к вторичной цепи (рис. 2.1). Причем входным параметром изображенных датчиков является в одном случае механическая нагрузка, а в другом - температура.

Наибольшее применение контактные датчики нашли в качестве конечных выключателей, и они являются типичными представителями релейных элементов, т.к. их выходное сопротивление может принимать только два значения: 0 или .



Рис. 2.1. Контактные датчики:

1 - пружина, 2 - контактная группа, 3 - биметаллическая пластина

Основным недостатком контактных датчиков является их низкая надежность, т.к. при замыкании или размыкании контактов появляется электрическая дуга (искра), из-за которой сокращается срок службы контактов за счёт их окисления и разрушения, и при этом создаётся высокий уровень электромагнитных помех. Для исключения такого явления применяют различные методы гашения электрической дуги, используя специальные схемы и соответствующие конструкции самих контактов.

Реостатные (потенциометрические) датчики (рис. 2.2), конструктивно выполненные подобно реостатам, преобразуют линейные или угловые перемещения движка реостата в электрическое напряжение путём изменения его выходного сопротивления.

Рис. 2.2. Реостатные датчики: а - линейный; б - торроидальный

В конструкции реостатов используются либо линейные формы каркасов (рис. 2.2, а), для которых входная величина хвх - линейное перемещение, либо - торроидальные (рис. 2.2, б), у которых входная величина хвх - угловое перемещение движка реостата. Обмотки проволочных реостатов выполняются из нихрома или специальных сплавов с высоким внутренним сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. В некоторых случаях вместо обмотки используется графитовое покрытие.

Обязательным условием использования этих датчиков является выполнение соотношения Rн>>R, т.е. входное сопротивление элементов, которые подключаются к датчику, должно быть значительно больше сопротивления реостата, в противном случае линейность статической характеристики датчика нарушается (рис. 2.3).

На рис. 2.4 представлена схема дифференциального реостатного датчика, который, кроме этого, реагирует на полярность входного воздействия, т.е. направление перемещения движка реостата (вверх или вниз относительно средней точки обмотки реостата).

Питание реостатных датчиков может осуществляться от источников как постоянного, так и переменного тока. Реостатные датчики нашли довольно широкое применение, несмотря на наличие в их конструкции механического и электрического контакта между движком реостата и его обмоткой, несколько снижающего надежность работы такого датчика.

Тензочувствительные датчики - это элементы, основанные на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводниковых материалов при наличии в них деформации в пределах упругости.

Принцип действия проволочных датчиков понятен из рисунка 2.5, а.

В качестве таких датчиков наибольшее применение нашли:

- проволочные, чувствительный элемент которых изготовлен из сплавов с высоким удельным электрическим сопротивлением, таких как манганин, нихром, константан;

- угольные или графитовые (тензолит, прессугольный порошок)

- полупроводниковые (PbS).

Для практических целей используют специальную конструкцию проволочных датчиков (рис. 2.5, б), где тонкая манганиновая проволока 3 (0,005 мм) укладывается специальным образом на тонкий изоляционный материал 2 (бумага, плёнка), с помощью которого датчик крепится (приклеивается) на исследуемую конструкцию или деталь 1, чтобы деформация детали полностью воспринималась чувствительным элементом датчика. Концы манганиновой проволоки приваривают к медным выводам 4 для дальнейшего подключения датчика к измерительным устройствам.

При приложении механической нагрузки происходит деформация чувствительного элемента датчика - проволоки и при этом изменяется её электрическое сопротивление за счет изменения длины и сечения. Статическая характеристика датчика (зависимость относительного изменения сопротивления чувствительного элемента от его относительной деформации в пределах упругости) является линейной (рис. 2.5, в).

Рис. 2.5. Тензометрические датчики: а - принцип действия; б - устройство; в - зависимость относительного изменения сопротивления чувствительного элемента от его относительной деформации

Чувствительность проволочного датчика, определяемая наклоном статической характеристики, невысока и составляет

.

На рис. 2.6 представлена конструкция угольного столбика (преобразователя давления) и его статическая характеристика.

Рис. 2.6. Угольный датчик давления: а - устройство; б - статическая характеристика

Работа этого датчика основана на том, что при действии механической нагрузки - Р (сжатии) контактное сопротивление между частицами графитовых таблеток 2 и между самими таблетками в столбике уменьшается. Чувствительность подобных датчиков в десятки раз выше, чем у проволочных, а в случае применения полупроводниковых материалов (PbS) - даже в сотни раз.

Основным недостатком всех рассмотренных тензодатчиков является наличие температурной погрешности, для компенсации которой применяются специальные методы, рассмотренные во второй части учебного пособия в разделе «Системы автоматического контроля».

Тензочувствительные датчики широко применяются для измерения сил, ускорений, деформаций и вызванных ими механических напряжений в строительных конструкциях, а также для других целей, связанных с деформацией (в частности, при исследовании взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава, особенно при больших осевых нагрузках).

В электролитических датчиках используется зависимость электропроводности электролитов от его состава (концентрации) и геометрических параметров датчика.

Электропроводность простой электролитической ячейки (рис. 2.7) определяется выражением , т.е. зависит от удельной электропроводности раствора , площади электродов S, находящихся в растворе, и расстояния а между ними, при этом входной величиной такого датчика может быть любой из перечисленных параметров.

Для исключения явления электролиза питание электролитических датчиков предпочтительно осуществлять переменным током низкой частоты (f = 50…300 Гц)

Электролитические датчики применяются в качестве соленомеров для определения количества солей в водонагревательных установках, в измерителях кислотности (рН-метрах), в устройствах очистки воды для систем водоснабжения, в уровнемерах приемных резервуаров систем водоотведения, для измерения влажности воздуха, а также влажности неоднородных сред (сыпучих строительных материалов). Кроме этого, используя электропроводность воды, они в качестве контактных датчиков применяются для контроля уровня грунтовых вод в строительных котлованах для своевременной откачки из них грунтовых вод.

На рис. 2.8 представлено устройство хлористо-литиевого датчика для измерения влажности воздуха, в котором за счёт насыщения влагой соли LiCl (за счет высокой гигроскопичности) меняется её проводимость. Соль наносится на изоляционную пластинку между электродами датчика, а по величине протекающего по ней тока можно определять измеряемый параметр - влажность окружающей среды.

Рис. 2.8. Хлористо-литиевый датчик

Работа термосопротивлений основана на зависимости внутреннего сопротивления проводников (металлов) и полупроводниковых материалов от температуры, причем для металлов статическая характеристика датчика (рис. 2.9) в широком диапазоне температур - линейна (рис. 2.9, прямая 1) и описывается выражением , где t - температурный коэффициент изменения сопротивления металла.

В качестве материала проводников в термосопротивлениях используют чистые металлы, для которых величина t больше, чем для различных сплавов. Значение температурного коэффициента для таких металлов составляет t = (3,7…6,5)Ч10-3 (град-1). Так для меди, ассортимент выпускаемых проводников которой наиболее широк, t=4,3Ч10-3 (град-1), т.е. изменение температуры на 10 вызывает изменение сопротивления медной проволоки на 4,3%.

Чувствительность термосопротивлений на основе полупроводниковых материалов значительно выше, чем для металлов, но статическая характеристика их нелинейная (рис. 2.9, кривая 2), поэтому они применяются только в небольшом диапазоне изменения температуры, где нелинейностью характеристики можно пренебречь. Кроме этого, термисторы, как их часто называют, работоспособны только в диапазоне температур от -20 до +120С, поэтому их практическое применение допустимо лишь в условиях окружающей человека среды. Например, они широко используются в цифровых полупроводниковых медицинских термометрах и во многих приборах, в которых необходимо поддерживать требуемую температуру.

Металлические термосопротивления вследствие их конструктивного исполнения (рис. 2.10) имеют достаточно высокую инерционность, что является их существенным недостатком.

Рис. 2.10. Металлическое термосопротивление

В качестве датчиков металлические термосопротивления нашли практическое применение в двух режимах их работы. Первый - это режим, при котором температура датчика определяется окружающими условиями и применяется в термометрах и психрометрах (измерителях влажности воздуха).

Второй режим - режим нагрева датчика схемным током, при котором его температура определяется условиями теплоотдачи. В этом режиме через чувствительный элемент датчика - проволоку пропускается ток, который нагревает её до температуры t = 150…200C. При этом отвод выделенного тепла зависит от среды, в которой находится проволока. Подобный режим работы термосопротивлений нашел применение в таких приборах как анемометры (измерители скорости воздушных потоков), вакуумметры и газоанализаторы, но конструктивные особенности исполнения этих датчиков отличаются от рассмотренных выше.

Емкостные датчики конструктивно представляют собой электрический конденсатор (рис. 2.11, а).

Рис. 2.11. Емкостные датчики: а - устройство; б - принцип действия

Ёмкость конденсатора определяется тремя параметрами: площадью перекрытия пластин S, расстоянием между ними а и величиной диэлектрической проницаемости используемого диэлектрика , находящегося между пластинами. Входной величиной такого датчика может быть любой из перечисленных параметров, а выходной величиной - его реактивное (емкостное) сопротивление , для определения которого необходим источник питания переменного тока высокой частоты.

Это объясняется тем, что величина xc при питании датчика от сети (f = 50 Гц) соизмерима с сопротивлением изоляции и составляет при емкости датчика 100…150 пФ более 100 мОм. Поэтому, несмотря на максимальную простоту конструкции и безынерционность датчика, применение его связано с использованием сложной аппаратуры, работающей в области радиочастот (f = 1…10 МГц), а это высокочастотные мостовые схемы и резонансные усилители. Но все же, несмотря на это, емкостные датчики нашли практическое применение во влагомерах ( = var), уровнемерах и в угломерах (S = var) (рис. 2.11, б), а также в емкостных манометрах и микрофонах (a = var).

Индуктивные датчики являются другой разновидностью реактивных элементов. Выходной величиной их является индуктивность и индуктивное сопротивление , значение которого определяется измеряемой неэлектрической величиной. Конструктивно индуктивные датчики представляют собой катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником (магнитопроводом) и подвижным якорем, являющимся частью этого магнитопровода (рис. 2.12).

Величина индуктивности датчика определяется выражением , где w - количество витков катушки, а Rм - магнитное сопротивление магнитопровода (сердечника и воздушного зазора), определяемое согласно выражению

.

Здесь - магнитная проницаемость материала сердечника; 0 - магнитная проницаемость воздушного зазора; lc - средняя длина магнитной цепи ферромагнитного сердечника; - величина воздушного зазора; S - площадь поперечного сечения сердечника.

Индуктивность представленного на рисунке датчика будет изменяться за счет перемещения х якоря (S = var). В зависимости от конструкции сердечника это могут быть не только линейные, но и угловые перемещения.

Достоинством индуктивных датчиков является простота конструкции, надежность и возможность питания непосредственно от сети переменного тока (f = 50 Гц). Но, в отличие от емкостных датчиков, их существенный недостаток - более высокая погрешность и малая точность из-за нелинейности статической характеристики сердечника (кривой намагничивания).

Индуктивные датчики широко применяются в устройствах автоматики для измерения больших и малых перемещений (линейных и угловых), в манометрах, динамометрах, торсиометрах (измерителях моментов), уровнемерах, а также для контроля немагнитных покрытий стальных конструкций. Наиболее чувствительны дифференциальные индуктивные датчики, состоящие из двух одинаковых катушек, соединенных последовательно, и общего подвижного сердечника (рис. 2.13), позволяющие определять не только величину перемещения сердечника, но и его полярность (направление перемещения).

Магнитоупругие датчики конструктивно являются тоже индуктивными элементами (рис.2.14), но в них изменение индуктивности обусловлено определённым свойством ферромагнитных материалов при воздействии на них механических усилий. Деформация сердечника из такого материала в результате действия этих усилий приводит к изменению его магнитной проницаемости , а, следовательно, и величины магнитного сопротивления.

Рис. 2.14. Магнитоупругие датчики: а - для измерения усилий; б - для измерения деформаций и механических напряжений

Магнитоупругие датчики по своему применению аналогичны тензочувствительным датчикам, т.е. они также могут использоваться для измерения усилий (рис. 2.14, а), деформаций и вызванных ими механических напряжений (рис. 2.14, б). В качестве материала сердечников в них используется пермаллой, обладающий высоким значением магнитной проницаемости .

В магнитострикционных преобразователях используется обратное свойство ферромагнитных материалов - изменять свои геометрические размеры под воздействием внешних магнитных полей. Практическое применение обе разновидности этих датчиков получили в качестве ультразвуковых акустических излучателей и приемников при контроле механических свойств различных строительных материалов и конструкций.

Принцип работы ионизационных датчиков основан на изменении электропроводности газов и жидкостей при воздействии на них облучения (ультрафиолетового, рентгеновского или гамма-излучения). Такие датчики используются для определения параметров этих излучений и конкретным примером применения подобных датчиков могут служить радиометры - приборы для измерения уровня радиации (счетчики Гейгера). Кроме этого, для измерения очень низких значений давления воздуха (до 1 пПа) эти датчики применяются в ионизационных вакуумметрах, в которых интенсивность ионизации газа пропорциональна измеряемому давлению.

2.2 Генераторные датчики

Генераторные датчики, предназначенные для преобразования неэлектрических величин непосредственно в электрическую активную величину, такую как э.д.с., напряжение или ток, делятся на:

а) фотоэлектрические;

б) термоэлектрические;

в) пьезоэлектрические;

г) индукционные;

д) гальванические;

е) датчики Холла.

Работа фотоэлектрических датчиков основана на явлении фотоэффекта, который бывает трех видов: внешний, внутренний и вентильный. Фотоэффект - это появление свободных электронов в некоторых материалах при воздействии на них фотонов света. Явление фотоэффекта и его теоретическое обоснование было дано в 1888 году российским ученым, проф. А.Г. Столетовым. Если освободившиеся под воздействием света электроны остаются в веществе, изменяя при этом его электропроводность, то фотоэффект называется внутренним и на нём основана работа всех фоторезисторов. Если такие электроны покидают вещество, то фотоэффект называется внешним. На этом принципе работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители.

Следует заметить, что для работы перечисленных датчиков необходим источник питания. Помимо этого, различают вентильный фотоэффект, которым обладают полупроводниковые материалы. В них электроны из освещенного слоя материала переходят в неосвещенный, отделенный от него тонким запирающим слоем (p-n переходом). В результате между слоями вещества, ввиду недостатка электронов в одном слое и избытка их в другом, возникает разность потенциалов, т.е. появляется э.д.с., под действием которой по внешней цепи, подключенной к такому датчику, будет протекать электрический ток, который принято называть фототоком.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются в виде электровакуумных приборов (электронных или ионных) и представляют собой стеклянный баллон с выкачанным изнутри воздухом (вакуумный фотоэлемент) и заполненный инертным газом (газонаполненный фотоэлемент). На внутреннюю поверхность баллона наносится тонкий слой сурьмяно-цезиевого покрытия, выполняющий функции фотокатода, перед которым располагается анод (рис 2.15, а). Под действием электрического поля электроны, вылетевшие с поверхности катода под воздействием фотонов света, устремляются к аноду, обуславливая, таким образом, протекание в цепи с фотоэлементом электрического тока. В газонаполненных приборах величина этого тока возрастает за счет ионизации находящегося в нем газа, т.е. они более чувствительны.

Конструкция фоторезисторов аналогична рассмотренным выше хлористо-литиевым электролитическим датчикам, но они значительно меньше размерами и в них в качестве чувствительного элемента используется полупроводниковый материал из германия или кремния (рис. 2.15, б).

Рис. 2.15. Фотоэлектрические датчики: а - вакуумный фотодатчик; б - фоторезистор

Все перечисленные фотодатчики характеризуются следующими основными характеристиками и параметрами:

Световая характеристика - ф = f(Ф) представляет зависимость фототока от величины светового потока. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейная, что позволяет с высокой точностью измерять величины световых потоков.

Интегральная чувствительность - отношение фототока к потоку лучистой энергии белого цвета (полного спектра) и определяется выражением:

.

Для вакуумных фотоэлементов она постоянна, но для газонаполненных она изменяется и ее необходимо определять при конкретном значении светового потока, т.к. световая характеристика газонаполненных датчиков имеет нелинейный характер за счет ионизации газа.

При номинальном анодном напряжении 240 В интегральная чувствительность вакуумных фотоэлементов составляет 20 мкА/лм, а для газонаполненных, она возрастает до 100…150 мкА/лм. Необходимо отметить, что все фотодатчики, кроме этого, характеризуются и спектральной чувствительностью к оптическому излучению определенной длины волны, т.е. цвету. Одни из них более чувствительны к коротковолновому (ультрафиолетовому) спектру излучения, другие же, наоборот, - к длинноволновому (инфракрасному).

Вольтамперная характеристика ф = f(Uф) - зависимость фототока от величины приложенного к фотоэлементу напряжения позволяет правильно рассчитывать электрические схемы с подобными датчиками. Принципиальная схема включения этих фотодатчиков на примере вакуумного фотоэлемента представлена на рис. 2.16.

Интегральная чувствительность фоторезисторов значительно выше, чем у фотоэлементов, но она зависит от величины напряжения источника питания, а световая характеристика полупроводниковых материалов, используемых для изготовления фоторезисторов, в большинстве случаев, нелинейная.

Вентильные фотоэлектрические датчики значительно отличаются от рассмотренных выше фотоэлементов и фоторезисторов. Они являются датчиками-генераторами, световая энергия в которых непосредственно преобразуется в электрическую энергию, и они могут работать без посторонних источников питания.

Конструктивно (рис. 2.17) вентильные фотоэлементы представляют собой металлическую основу 4, на которую нанесен слой полупроводникового материала 3, а сверху полупроводниковый материал закрыт очень тонким полупрозрачным слоем металла (золота) 2 с контактным кольцом 1 для токосъема. Величина фототока вентильных фотодатчиков зависит не только от его освещенности, но и от параметров внешней нагрузки этих датчиков, что необходимо учитывать при правильном их использовании.

Современные разработки полупроводниковых материалов и технологий в области микроэлектроники позволили настолько уменьшить размеры подобных фотодатчиков, что на площади менее 1 см2 их количество составляет свыше 1 млн.шт. (пикселей).

К вентильным фотодатчикам относятся селеновые фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы, получившие в настоящее время очень широкое применение, особенно в системах дистанционного управления совместно со светодиодами.

Достоинства фотодатчиков (небольшие размеры, особенно у полупроводниковых, высокая чувствительность, отсутствие механических элементов, малая инерционность) обеспечили им широкое применение для самых различных целей. Фотодатчики используются в приборах, регистрирующих появление или отсутствие светового излучения; в устройствах для измерения освещенности или величины светового потока и в фотореле. В настоящее время они широко применяются для преобразования световой энергии в электрическую в современных цифровых устройствах (компьютерах, видео и фотокамерах). Кроме этого, они входят в состав многих электронных приборов, таких как оптроны и, наконец, они являются основными преобразователями, на которых работают солнечные батареи.

Работа термоэлектрических датчиков основана на том, что в контуре, состоящем из двух различных металлов, возникает э.д.с. постоянного тока e = k(t1-t2), пропорциональная разности температур, в которой находятся точки соединения (спаи) проводников из этих металлов. Под действием этой термо-э.д.с. в контуре будет протекать электрический ток, т.е. в этой термопаре, как принято называть такой датчик, происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Чтобы измерить величину термо-э.д.с., в этот замкнутый контур цепи необходимо включить измерительный прибор - милливольтметр (рис. 2.18). В результате, по величине вырабатываемой э.д.с., пропорциональной разности температур левого (рабочего) спая и его свободных концов, по показанию милливольтметра, можно судить о величине температуры рабочего спая. В измерительной технике такой прибор (термопара и милливольтметр) получил название пирометр. Для увеличения чувствительности подобных измерителей температуры используют последовательное соединение нескольких термопар.

Рис. 2.18. Схема включения термопары

Для изготовления термопар используют специальные высокотемпературные сплавы и металлы, позволяющие контролировать более высокие, по сравнению с рассмотренными ранее термосопротивлениями, значения температур (до 2000…2500оС). Именно поэтому термоэлектрические датчики получили очень широкое применение в металлургии.

Включаются термопары либо по схеме непосредственного измерения температуры (пирометры), при котором шкала милливольтметра градуируется предварительной тарировкой, но чаще используется компенсационная измерительная схема, позволяющая значительно повысить точность измерения температуры (см. раздел 3.1. Схемы включения датчиков).

Помимо рассмотренного прямого термо-эффекта имеет место и обратный термоэлектрический эффект, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую - явление Пельтье (по имени Ж. Пельтье, французского физика). Но в этом случае используются специальные полупроводниковые материалы, а применяются такие преобразователи для создания высокоэффективных холодильных установок в медицине, биологии, вакуумной технике и физике.

Явление термоэффекта необходимо учитывать в строительстве при сооружении конструкций из разнородных металлов, т.к. в подобных сооружениях под действием термо-э.д.с., возникающей в местах контакта этих металлов, из-за влияния вредных окружающих условий (влага, кислотность и пр.) возможно их преждевременное старение и разрушение.

Работа пьезоэлектрических датчиков основана на пьезоэлектрическом эффекте. Прямой пьезоэлектрический эффект - это появление электростатических зарядов электричества на поверхности некоторых диэлектриков при их деформации. Этим свойством обладают кристаллы кварца, турмалина и некоторых драгоценных камней, а также специально разработанные для этих целей материалы - сегнетоэлектрики (сегнетовая соль, титанат бария, дигидрофосфат аммония и др.). Например, в кристаллах кварца имеются три ортогональных оси: электрическая, механическая и оптическая, но электрические заряды на поверхности кристаллов появляются лишь при деформациях вдоль первых двух осей, а при сжатии вдоль оптической оси пьезоэффект не наблюдается.

Так как величина возникающего при деформации заряда мала (чувствительность кварца к давлению составляет лишь 2,1*10-11 кулон/кг), то для ее увеличения применяются несколько кристаллов, соединенных параллельно (рис. 2.19) или последовательно с учетом полярности. Малая величина заряда, к тому же, создает опасность его быстрого стекания через подключенную нагрузку, поэтому приходится использовать для его измерения специальные электрометрические усилители с очень высоким входным сопротивлением.

...