Краткие теоретические сведения.

Для измерения неэлектрических величин часто применяют электрические методы и средства измерения. Это позволяет: осуществлять дистанционные измерения; обеспечить широкий диапазон измерений с высокой точностью; измерить параметры быстротекущих процессов. Средства измерений должны содержать: первичный преобразователь ПП, преобразующий неэлектрическую величину Х  в электрическую Y; электрическую измерительную цепь ЭЦ, преобразующую электрическую величину Y в другую электрическую величину y, с необходимыми параметрами; измеряющий электроизмерительный прибор ЭП, который измеряет величину у, а проградуирован в единицах измеряемой величины Х.

 

Рис. 10.1 Структура измерителя неэлектрической величины

Источниками первичной информации о ходе управляемого процесса являются датчики. Это чувствительные элементы автоматических систем, преобразующие контролируемые величины в выходные сигналы, удобные для передачи или дальнейшей обработки

 

Рис. 10.2 Функциональная схема электрического датчика.

Датчик состоит из двух частей: чувствительного элемента и преобразующего устройства. 

При любом изменении интенсивности воз­действия, воспринимаемого датчиком, происходит соответ­ствующее изменение электрического сигнала датчика.

Основное свойство всякого электриче­ского датчика: величина электрического сигнала в цепи датчика соответствует величине параметра, который контролирует датчик.

В устройствах автомати­ческого контроля датчики служат для измерения величин, характеризующих работу техноло­гического оборудования или качество вырабатываемой про­дукции. 

В устройствах автоматического регулирова­ния на основании сигналов датчиков могут быть изменены параметры технологического процесса.

Оценку возможности использования датчиков в различных систе­мах автоматики производят по следующим основным характеристикам: статическая характеристика; инерционность; порог чувствительности; погрешность.

По назначению электрические датчики делятся на датчики температуры; перемещения; давления; скорости; положения и т.д. 

По способу преобразования энергии – на генераторные и параметрические.

В каждом из генераторных дат­чиков неэлектрическое воз­действие (нагрев, механиче­ское вращение, освещение) непосредственно воспринимается самим датчиком и без вспомогательного электрического источника питания вызывает в его цепи электрический ток.

Генераторные датчики — это устройства, под влиянием неэлектрического воздействия создающие электрический сигнал без вспомогательных источ­ников питания. К ним относятся: 

термоэлектрические; фотоэлектрические; пьезоэлектрические; тахометрические и т.д. Величина тока в цепи генераторного датчика зависит от интенсивности неэлектрических воздействий, которым под­вергается датчик. 

Термоэлектрические датчики.

Одним из примеров термоэлектрических датчиков является термопара. Она представляет собой два разнородных провод­ника, спаянных у одного из кон­цов.

а)        б)

Рис10.2. Принцип действия термопары (а); его схема (б).

В основе работы датчика лежит явление термоэлектрического эф­фекта: если место спая нагреть, а свободные концы термопары присоединить к гальванометру, то между свободными концами датчика возникнет термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС  в цепи появится электрический ток, вызывающий отклонение стрелки гальванометра.  С увеличением нагрева термопары величина тока в рамке гальванометра соответственно возрастает.

Проводники А и Б  термопары могут быть изготовлены из разнородных металлов и их сплавов (медь—константан, платина— копель, вольфрам—молибден и др.). 

Значение термо-ЭДС для различных типов термопар состав­ляет от десятых долей Вольт до десятков мВ. Например, для термопары медь—константан она изменяется от -4,3мВ  до —6,18 мВ при изменении температуры спая от +100 до —260 °С. Использование в термопарах различных металлов позволяет измерять температуру в пределах от —200 до +2500 °С.

Термопары обеспечивают преобразование тепловой энергии в электрическую.

1. Пьезоэлектрические датчики.

Принцип действия датчика основан на прямом пьезоэффекте. Он заключается в том, что некоторые ма­териалы (природные — кварц, турмалин; искусственные — сегнетовая соль, титанат бария и др.) при воздействии на них механических нагру­зок образуют на гранях своих поверхностей электрические заряды.

Рис. 10.3 Принцип действия пьезоэлектрического датчика.

Пьезоэлектрические дат­чики конструктивно пред­ставляют собой набор из нес­кольких пластин, подобран­ных таким образом, чтобы заряды одноименно заряжающихся плоскостей складывались. Такое кон­структивное решение позволяет повысить чувствительность дат­чика.

В пьезоэлектрических датчиках проис­ходит преобразование переменных механических сил, действующих на датчик, в электрический заряд.

Пьезоэлектрические датчики применяют для измерения характерис­тик быстропротекающих процессов—вибраций, переменных давлений, усилий и др.

2. Тахогенераторный датчик.

Одними из распространенных генераторных датчиков являются маломощные электрические машины, работающие в режиме генератора. Они могут служить в качестве электрического тахометра — прибора для измерения скорости вращения валов. Если ротор такой машины привести во вращение, то на ее щетках возникает напряжение, величина которого будет прямо пропорциональна скорости вращения.

 

 

а)     б)      в)

Рис. 10.4 Тахогенераторный датчик (а);  его характеристика (б); схема тахогенератора постоянного тока (в).

Тахогенера­торный датчик преобразует угловую скорость вращения его вала  ω_вх в Э.Д.С. тахогенератора e_вых.

В зависимости от выходного напряжения различают тахогенераторы постоянного и переменного тока. Эти датчики применяют при автоматизации подъемных установок, конвейерных линий и т.д.

3. Фотодатчики.

Фотоэлектрические датчики используются в автомати­ке для преобразования в электрический сигнал различных неэлектричес­ких величин: механических перемещений, скорости вращения тел, раз­меров и количества движущихся предметов, освещенности, прозрач­ности жидкой или газовой сред и т.д.

Рис. 10.5 Устройство и схема включения селенового фотоэлемента

Световой поток Ф, проходя через полупрозрачную пленку из золота 1 (электрод) и запирающий слой 2, попадает на полупроводник 3 и создает вентильный фотоэффект. Вторым электро­дом служит стальная пластина 4. Возникшая э. д. с. Е_ф создает ток во внешней электрической цепи с сопротивлением нагрузки R_н, в качестве которой служит электронный усилитель.

Достоинствами  вентильных фотоэлементов яв­ляются отсутствие необходимости во внешнем источнике питания и большая чувствительность, недо­статками — инерционность, необходимость примене­ния чувствительных усилителей, малый кпд.

 В горном деле фото­элементы применяют как составную часть фотоэлектронных усилителей и реле, исполь­зуемых в системах автоматического управления наружным освеще­нием, для определения запыленности воздуха, контроля уровня, взаимного положения ковша экскаватора и транспортного средства и т. д.

Во второй группе датчиков преобразование входной неэлектрической величины Ψ в выходную величину, являющуюся параметром электрической цепи (сопротивление, индуктивность, ёмкость) происходит при включении в их цепь источника питания. 

Параметрические датчики—это устройства, включаемые в цепь вспомогательного источника питания и изменяющие свое электрическое сопротивление под влиянием того или иного неэлектрического воздействия.

Величина тока в цепи параметрического датчика зависит:

• от интенсивности неэлектрических воздействий, которым под­вергается датчик;
• от э. д. с. вспомогательного источника питания.

В технике датчики данного типа применяются в основном для изме­рения линейных перемещений и уг­лов поворота различных механиз­мов и приборов. Большинство их вклю­чается в цепь с источником постоянной э. д. с.

 

Электрическим сигналом параметрического датчика является сила тока в цепи датчика.

1. Датчики активного сопротивления.

1) Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор (потенциометр), состоящий из плоского, цилиндрического или кольцевого каркаса, на который намотана тонкая проволока из константана или нихрома, и подвижного контакта (щетки), имеющего механическую связь с объектом.

Рис. 10.7 Потенциометрический датчик

При перемещении объекта изменяется активное сопротивление цепи, и, следовательно, ток в цепи датчика.

2) Терморезисторные датчики основаны на свойстве воспринимаю­щего элемента—терморезистора изменять своё сопротивление при измене­нии температуры. Терморезисторы изготавливают из металлов (медь, железо, никель, платина и др.) и полупроводников (смеси окислов металлов — меди, марганца, кобальта, спекаемых при высокой температуре).

Металлический терморезистор выполняется из проволоки, на­пример, медной, диаметром примерно 0,1 мм, намотанной в виде спирали на слюдяной, фарфоровый или кварцевый каркас. Такой терморезистор заключен в защитную трубку с выводными зажи­мами, которая затем размещается в точке контроля температуры объекта (в корпусе подшипника, двигателя и т. п.).

 

Рис. 10.8 Терморезисторный датчик

При изменении температуры объекта изменяется активное сопротивление выходной цепи.

С ростом температуры °С сопротивление R металлических тер­морезисторов возрастает, а большинства полупроводниковых — уменьшается. Достоинством полупроводниковых терморезисторов является их высокая термочувствительность.

3) Термисторы. В термисторах термочувствительный элемент выпол­нен из полупроводникового материала. Обычно используют смесь окси­дов металлов — марганца, титана, никеля и др.

Полупроводниковые терморезисторы изготовляются в виде не­больших стержней и дисков с выводами, размещаемых в защитных металлических чехлах. Например, стержни медно-марганцевого ММТ-1 и кобальто-марганцевого КМТ-1 терморезисторов имеют длину 12 мм и диаметр 1,8 мм. Для защиты от влияния окружающей среды термистор помещают в корпус или покрывают лаком.

1. Индуктивные датчики.

 Это датчики, вы­полненные в виде катушек (из медной проволоки) с ферромаг­нитными сердечниками.

а)    б)

Рис. 10.9 Схемы индуктивных датчиков: а) перемещения; б) термометрического.

В индуктивных датчиках механическое пере­мещение узла объекта управления, нагрев сердечника или механическое воздействие на него преобразуется в изменение реактив­ного сопротивления индуктивной катушки дросселя и, следовательно, силы тока в цепи датчика.

1) Магнитоупругий датчик  (рис. 2.10) основан на свойстве фер­ромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость при их деформации—растяжении (а) или сжатии (б).

Конструктивно магнитоупругий датчик представляет собой ка­тушку 1 с замкнутым магнитопроводом 2. Контролируемое усилие Р, деформируя сердечник, изменяет его магнитную проницаемость и, следовательно, индуктивное сопротивление катушки.

Рис. 10.10 Схема магнитоупругого тензометрического датчика, реагирующего на растяжение.

Магнитоупругие датчики используются для контроля усилий (например, при загрузке скипов и посадке клетей на кулаки), гор­ных давлений и т. п. Такие датчики просты по устройству и надеж­ны в работе.

2) Герконовые датчики (рис. 2.11) используются для контроля положения объектов. Воспринимающий элемент датчика — геркон представляет собой ампулу 1, внутри которой запаяны контактные пружины (электроды) 2, изготовленные из ферромагнитного материала. Герметичность ампулы исключает вредное воздействие среды на контакты, повышая надежность их работы. Контакты геркона, расположенного в контролируемой точке пространства, замыкаются под действием магнитного поля, которое создается постоянным магнитом или электромагнитом, установленным на подвижном объекте.

Рис. 10.11 Схема герконового датчика

1. Ёмкостные датчики.

Их обычно выполняют в виде конденсаторов с перемещающимися обкладками (пластинами). Перемещая одну пластину относительно другой, из­меняют расстояние между ними или площадь перекрытия пла­стин (рис.2.12). Емкость конденсатора, а, следовательно, и ток в цепи источника переменного напряжения соответственно из­меняются. Такие емкостные датчики реагируют на механическое перемещение.

 

Рис. 10. 12 Принципиальные схемы емкостных датчиков:

а — с поступательным перемещением пластин; б — пово­ротного типа.

В технике датчики данного типа применяются в основном для изме­рения линейных перемещений и уг­лов поворота различных механиз­мов и приборов.

Ход работы

Задание 1. Начертите схему классификации датчиков.

Задание 2. Заполните таблицу 

Таблица 1

№ п/п	Схемы генераторных датчиков	Датчик	Контролируемая величина	Примечание
1
2
3
4

Задание 3

Заполните таблицу 

Таблица 8.2

№ п/п	Схема датчика	Датчик	Контролируемая величина	Изменяющийся параметр датчика	Примечание
1
2
3
4
5
6
7

 

Контрольные вопросы.

1. Как измеряют неэлектрические величины?

2. Какое устройство можно назвать датчиком? 

3. Приведите пример датчика  и объясните, почему Вы считаете данное устройство датчиком.

4. На какие группы делятся датчики?

5. На основании какого свойства описанных датчиков можно сделать вывод, что они являются генераторными датчиками?

6. В чём особенность генераторных датчиков? Приведите примеры.

7. Какая выходная величина является электрическим сигналом генераторного датчика? Подтвердите это объяснением принципа работы датчика.

8. От чего зависит величина сигнала в цепи генераторного датчика?

9. В чём особенность параметрических датчиков? Приведите пример параметрического датчика.

10. От чего зависит величина сигнала в цепи параметрического датчика?

11. Назовите основное свойство датчика.

 

 

Литература

Основные источники: