Понятие о датчиках, преобразователях и исполнительных элементов.

Автоматическая система состоит из следующих основных элементов: датчика, преобразователя, усилителя, исполнительного механизма, управляемого объекта и звена обратной связи.

 

Датчик – чувствительный элемент (устройство ), реагирующее на изменение какой-либо физической величины. Датчик через звено обратной связи получает от управляемого объекта различные сигналы электрического и неэлектрического характера и реагирует на них. Получив сигнал о нарушении нормального процесса в системе, датчик приводит в действие исполнительный механизм.

Классификация датчиков, основные требования к ним

 

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

 

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

 

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

 

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоич­ное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

 

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

- электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

 

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

 

 

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

 

Контактные датчики

 

Контактные датчики — это простейший вид датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контро­лируют их форму и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели, контактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

 

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе.

 

Недостаток контактных датчиков — сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики

 

Микровыключатели относятся к датчикам контактного типа и широко применяется в автоматических системах. Они состоят из корпуса 3, в котором закреплены пластины неподвижных замыкающего 1 и размыкающего контактов 2, а также подвижного контакта 5 и работающая совместно с ним фигурная пружина 4. Толкатель 7 оснащен возвратной пружиной и приводится в движение рабочим органом, положение которого контролируется, при достижении им конечного положения. При этом второй контакт обычно используется для включения механизма реверса.

Конечные и путевые выключатели так же относятся к контактным датчикам и применяют в схемах автоматического управления элек­тродвигателями производственных механизмов с перемещающи­мися отдельными узлами. Эти выключатели и переключатели служат для ограничения движения узлов или перемены направ­ления их движения (например, в продольно-строгальных стан­ках, электрических кранах, лифтах и др.).

 

Рычажный путевой переключатель ВК-211 сраба­тывает при нажиме справа на ролик 1, который отводит в сторо­ну рычаг 2, а последний посредством механического соединения перемещает рычаг 5 справа налево. При этом подвижный кон­такт 3 рычага 5 размыкается с правым и замыкается с левым неподвижным контактом 4. Неподвижные контакты 4 закрепле­ны на колодках 6. Возврат контактов в первоначальное положе­ние происходит под действием пружины после отпуска ролика. Штифтовый конечный переключатель ВК-411 срабатывает при нажиме на валик 7; перемещающийся при этом штифт 8 с подвижными контактными мостиками 10 размыкает неподвижные контакты 4 и замыкает неподвижные контак­ты 12, которые укреплены на карболитовом основании 11. После отпуска валика 7 пружина 9 возвращает штифт 8 с контактными мостиками 10 в первоначальное положение.

 

 

Механические датчики

 

Механический датчик представляет собой устройство, имеющее непосредственный контакт с контролируемым или управляемым объектом. При отклонении управляемого или контролируемого объекта от заданных размеров или при изменении режима работы датчик приводит в действие исполнительный механизм. Примером механического датчика может быть центробежный регулятор в схемах торможения двигателя.

 

Центробежный регулятор

При отключении двигателя от сети, двигатель может очень долго работать на выбеге, для торможения двигателя данном случае применили механический датчик. Как только включится двигатель, грузики под действием сил инерции будут расходиться в сторону и замкнут контакты путевого выключателя. При отключении двигателя от сети, грузики вернутся в исходное состояние. Используя это явление можно управлять направлением вращения двигателя.

 

Электрическая схема торможения двигателя противовключением.

 

В рассматриваемой схеме управление торможением осуществляется магнитным полем, созданным статорными обмотками двигателя. При отключении двигателя от сети, двигатель подключается на вращение в обратную сторону (срабатывает К2) и в тот момент когда двигатель остановится, это поле снимается и двигатель отключается от сети. Работает электрическая схема следующим образом. После включения АЗС (QS) и нажатия кнопки «пуск» включается магнитный пускатель К1 и двигатель запускается. При необходимости остановить двигатель нажимаем кнопку «стоп», в результате чего отключается К1 и включается К2 (поскольку контакты путевого выключателя РКС были замкнуты еще при запуске двигателя. Происходит торможение двигателя противключением. При скорости близкой к нулю контакты РКС размыкаются и отключают магнитный пускатель К2. Двигатель останавливается. Недостатком механических датчиков является износ соприкасающихся элементов датчика и небольшая чувствительность.

 

Датчики давления

Для измерения давления в различных средах широко применяются манометры.

Основной деталью манометра является трубчатая пружина. представляющая собой согнутую по окружности трубку с сечением в форме эллипса или овала. Трубчатая пружина изготовляется из бронзы, латуни или стали в зависимости от назначения прибора и пределов измерения. Один конец трубки впаян в держатель с штуцером, который предназначен для присоединения манометра к источнику давления. Второй конец трубки свободный, герметически закрыт. Держатель имеет плату, которая винтами кропится к корпусу прибора. На этой плате при помощи двух винтов укреплен передаточный механизм. При изменении давления происходит изменение положения трубчатой пружины (свободный конец трубки перемещается). Это перемещение через передаточный механизм передается на стрелку.Конец стрелки показывает на шкале прибора величину измеряемого давления.

Используя датчик давления можно контролировать изменение размеров изделий на основании изменения давления воздуха. В камеру 2 датчика, через жиклер 1 подается при постоянном

 

давлении воздух, который из камеры 2 через сопло 3 выходит в атмосферу. Перед соплом помещают контролируемую поверхность 4. Между соплом и контролируемой поверхности образуется кольцевой зазор. При отклонении размеров изделия от номинального значения, кольцевой зазор уменьшается или увеличивается, а следовательно, и давление воздуха в камере 2 уменьшается или увеличивается. Соответственно по датчику давления можно контролировать поверхность. Пневматические датчики являются бесконтактными, т.е. они не имеют непосредственного касания с контролируемым изделием и могут быть применены для контроля деталей, движущихся с большими скоростями и процессов протекающих при высоких температурах.

Реостатные датчики

Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

 

 

Основной частью реостатного датчика является проводящий элемент с переменным электрическим сопротивлением.

В зависимости от материала, из которого изготовлен реостат, они подразделяются на метал­лические, жидкостные и угольные. Наибольшее распростране­ние получили реостаты с металлическими сопротивлениями с воздушным или масляным охлаждением.

Реостаты в зависимости от назначения различают по типам: пусковые, пускорегулирующие и реостаты возбужде­ния.

Электрическая схема запуска с помощью пускового реостата, для ограничения пускового тока.

 

Датчики уровня воды

Электроконтактный датчик с силовыми контактами показанный на рисунке может контролировать давления пара в котле, уровня воды в водонапорной башне.

 

При увеличении давления пара в котле, уровня воды в водонапорной баше толкатель 1 перемещается вверх и замыкает цепь красной лампы. При уменьшении толкатель опускается вниз, загорается зеленая лампа. Лампы сигнализируют о положении контролируемого объекта.

Датчик Master Kit - A4 предназначен для контроля уровня воды в водонапорной башне, баке, ванне и других емкостях. По сигналу датчика происходит включение/выключение различных исполнительных устройств: водяной насос, световой или звуковой сигнализатор и т.д.

В качестве датчика удобно использовать две пластины одностороннего ольгированного стеклотекстолита размерами 10x50 мм. Пластины соединяют между собой на расстоянии 3-5 мм через изолирующие втулки так, чтобы фольгированные поверхности были обращены друг к другу и не замыкались между собой. Эти пластины подключаются к контактам 2 и 3 устройства.

Источник постоянного тока подключается («плюс» - конт.5, «минус» - конт. 8).

Датчик устанавливается в емкость на определенную глубину. Как только уровень жидкости достигнет уровня датчика, загорится индикаторный светодиод и с характерным щелчком сработает реле, подключив мощную сетевую нагрузку. Нагрузка будет подключена до тех пор, пока уровень воды не опустится ниже уровня датчика.

 

Датчик температуры

Датчик контроля потока воздуха, WFR/N применяется в системах вентиляции, кондиционирования и отопления для отслеживания воздушных и газовых потоков в воздуховодах, для контроля работы вентиляторов, в установках кондиционирования и воздушного обогрева. Прибор обнаруживает наличие потока с помощью лепестковой пластины, устанавливаемой в контролируемой среде. Если скорость потока ниже установленного значения отсечки, лепестковая пластина воздействует на переключатель, контакты переключателя 1−4 замыкаются. Когда скорость увеличивается до предустановленного значения, замыкаются контакты 1−2. Точка переключения может быть изменена путем подстройки.

Датчик температуры воздуха ИПТВ (преобразователь измерительный температуры воздуха) предназначен для непрерывного преобразования текущего значения измеряемой температуры воздуха в аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА.

Датчик используется в системах автоматизации технологических процессов совместно с контроллерами, регуляторами и вторичными приборами.

Датчик температуры воздуха состоит из чувствительного элемента в виде платинового терморезистора, размещенного в защитной гильзе с отверстиями для доступа воздуха, и нормирующего усилителя, размещенного в корпусе.

Изменение температуры воздуха вызывает изменение сопротивления чувствительного элемента. Нормирующий усилитель преобразует изменение сопротивления чувствительного элемента в аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) служат также для дистанционного измерения температуры. Их принцип действия основан на использовании ЭДС, получаемой от двух спаянных концов разного металла, если их спай и свободные концы находятся при разных температурах. В качестве примера можно привести тепловое реле защиты двигателя от перегрузок. Тепловые реле предназначены для защиты трехфазных асинхронных двигателей от недопустимых перегрузок. Реле могут, применятся и в сети постоянного тока. Основу конструкции теплового реле составляет биметаллическая пластина, при прохождении большого тока биметаллическая пластина нагревается, изгибается и выходит из зацепления- разрываются контакты питания магнитного пускателя, происходит отключение двигателя от сети.

Как работает термопара, рассмотрим схему регулирования температуры в электрической печи, в практике имеет большое значение поддержание постоянной температуры в печах.

Термопара 1, помещенная в электропечь, дает электрический ток рамке 2, которая находиться в магнитном поле. При прохождении тока рамка будет поворачиваться. Вместе с рамкой будет поворачиваться указательная стрелка 3 и пластинка 4 из дюралевой фольги. Угол поворота рамки, стрелки и пластинки зависит от температуры в электропечи. При повышении температуры печи пластинка 4 перемещаясь между секциями катушки 6, изменяет индуктивность катушки. При изменении катушки возбудится генератор и ток в цепи усилителя 7 резко уменьшится, при этом электромагнитное реле 8 разомкнет контакты 9 в цепи нагревателя печи, и печь отключится. При охлаждении печи угол поворота рамки 2 уменьшится, что приведет к уменьшению индуктивности катушек 6, в цепи появится ток, что приведет к включению нагревательного элемента 10. Стрелка 5 служит для установления нужной температуры нагрева печи.

Оптический датчик представляет собой фотоэлемент, включенный в электрическую цепь. Контролируемое изделие тем или иным путем воздействует на величину светового потока.

 

В результате изменения светового потока, падающего на фотоэлемент, изменяется число выбитых электронов из катода 2, а следовательно и ток цепи. Электрический импульс усиливается и передается исполнительному механизму.

Примером применения данного датчика – автоматическое управление освещением городов и населенных пунктов.

На рисунке приведена электрическая принципиальная схема фотореле. При получении питания начинает работать схема реле. В зависимости от освещенности естественным светом меняется сопротивление фоторезистора R1, что приводит к открыванию или закрыванию транзисторов VT1 и VT2 и включению или выключению электромагнитного реле К1, включающего или отключающего пускатель наружного освещения.

 

Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчи­ков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного то­ка, представляющие собой небольшие электромашинные генерато­ры, у которых выходное напряжение пропорционально угловой ско­рости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).