Файл: Основы автоматизации производства.doc

4. Емкостные первичные преобразователи

Емкостные преобразователи преобразуют неэлектрические величины (перемещение, уровень жидкости, влажность, усилие и т. д.) в изменение электрической емкости. Емкостной преобразователь является частью регулирующего или измерительного устройства с чувствительным элементом, выполненного в виде конденсатора и реагирующего на изменение измеряемого параметра технологического процесса. Чувствительный элемент емкостного преобразователя представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, у которого при воздействии измеряемого параметра изменяется расстояние между пластинами, площадь пластин или диэлектрическая проницаемость среды между обкладками. Емкость конденсатора С возрастает с увеличением активной площади F и диэлектрической проницаемости ξ (для воды ξ = 81; для воздуха ξ = 1; для формовочной смеси ξ = 1 ... 4) и уменьшается с увеличением расстояния между пластинами X, т. е. С = ξ₀ξF/Х, где ξ₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, ф/м. Учитывая влияние перечисленных факторов на размеры чувствительного элемента, различают три типа емкостных преобразователей: с переменным расстоянием между пластинами, с изменяемой площадью пластин и изменяемой диэлектрической проницаемостью среды. Перечисленные параметры емкостных преобразователей являются входными величинами, а выходной величиной будет емкость конденсатора.

Рис. 8. Емкостные преобразователи:

а – с переменным расстоянием между пластинами; б – с изменяемой площадью цилиндрический; в – с изменяемой площадью плоский; г – с изменением диэлектрической постоянной; δ – перемещение; α – угол поворота пластин; h – высота уровня жидкости; H – высота пластин датчика

Емкостные преобразователи с переменным расстоянием между пластинами (рис. 8, а) как правило конструктивно выполняют в виде плоского конденсатора, состоящего из двух или более пластин, одна из которых закреплена, а другая механически связана с подвижной частью объекта управления. Емкостные преобразователи этого типа применяют для измерения толщины изделий, а также используют для измерения давления, усилия или вибрации.

Емкостные преобразователи с изменяемой площадью пластин выполняют как цилиндрическими (рис. 8, б), так и плоскими (рис. 8, в).

Цилиндрический емкостной преобразователь (рис. 8, б) представляет собой два цилиндра разного диаметра, помещаемые один в другой. Емкость конденсатора зависит от осевого перемещения  внутреннего цилиндра. Преобразователи этого типа предназначаются для измерения линейных перемещений.

В плоском преобразователе (рис. 8, в) емкость зависит от изменения активной площади пластин при повороте одной пластины относительно другой. Такие преобразователи используют при измерении угловых перемещений.

Емкостные преобразователи с изменением диэлектрической проницаемости среды между пластинами применяют для регулирования влажности формовочной смеси и дозирования воды при ее приготовлении. При колебании уровня жидкости изменяется емкость конденсатора (рис. 8), электродами которого служат корпус 1 и металлический стержень 2. Емкость такого преобразователя складывается из емкости цилиндрического конденсатора без жидкости и параллельно включенной емкости цилиндрического конденсатора с жидкостью. Емкость и чувствительность такого преобразователя увеличиваются с уменьшением отношения диаметров электродов, а также с ростом высоты цилиндра.

Емкостные преобразователи просты по устройству, обладают достаточно высокой чувствительностью, малыми размерами и массой. Однако они имеют три недостатка: мощность выходного сигнала мала, поэтому необходимо применять усилитель; при промышленной частоте электрического тока практически невозможно получить достаточную мощность, в этой связи они получают питание от источника высокой частоты (10 кГц и более); сильное влияние оказывают паразитические емкости и посторонние электрические поля, поэтому требуется тщательное экранирование как самих датчиков, так и соединительных проводов.

В литейных цехах емкостные преобразователи находят применение для контроля уровня формовочной смеси в расходных бункерах при ее автоматической раздаче, для дозирования воды при приготовлении формовочной смеси в бегунах и т. д.

5. Тензометрические первичные преобразователи

Работа тензометрического преобразователя (тензорезистора) основана на изменении электрического сопротивления проводников при упругих деформациях растяжения или сжатия. Они применяются для преобразования деформаций, усилий и напряжений в электрический сигнал. В зависимости от конструкции и материала чувствительного элемента тензорезисторы подразделяются на проволочные, фольговые, полупроводниковые и тензолитовые.

Простейшим проволочным тензорезистором может служить отрезок тонкой проволоки. При деформации детали одновременно будет деформироваться и наклеенная проволока. Изменение электросопротивления R проволоки при ее растяжении или сжатии связано с относительной деформацией е соотношением

,

где R – номинальное сопротивление проволоки, Ом; k – коэффициент чувствительности.

Коэффициент чувствительности k зависит от вида материала и технологии изготовления преобразователя; его значение определяют экспериментально. Наибольшее распространение получили константан и нихром, для которых k = 1,9–2,1.

Размеры детали часто не позволяют закрепить на ней преобразователь в виде прямолинейного отрезка проволоки большой длины. Поэтому промышленность изготовляет тензометрические преобразователи в виде спирали (решетки) из нескольких петель проволоки (рис. 9, а). Проволоку 1 наклеивают на подложку 2 из тонкой бумаги или лаковой пленки и сверху наклеивают такую же тонкую бумагу. К проволоке приваривают (или припаивают) выводы 3, выполненные из тонких полосок медной фольги. Недостатком данной конструкции решетки является чувствительность преобразователя к поперечным деформациям. Для устранения этого недостатка петли между рядами заменяют медными перемычками 4 (рис. 9, б). Основными параметрами решетки являются: длина l (3 ... 75 мм), ширина а (0,03 ... 10 мм) и радиус закругления r (0,1 ... 0,3 мм).

Рис. 9. Тензометрические преобразователи:

а – проволочные; б – с медными перемычками; в – фольговые

Проволочные тензорезисторы просты по конструкции, имеют малую массу и невысокую стоимость. Их статическая характеристика линейна и реверсивна. К недостаткам проволочных тензорезисторов относятся низкая чувствительность и одноразовость действия. Они подвержены влиянию окружающей среды (температура и влага).

Фольговые тензорезисторы по принципу действия и основным параметрам сходны с проволочными преобразователями и отличаются только конструкцией решетки (рис. 9, в) и способом ее получения. Для фольговых тензорезисторов применяется фольга толщиной 4 ... 12 мкм из константана, нихрома, титан-алюминиевого или золото-серебряного сплавов. Решетку фольговых тензодатчиков получают методом фотолитографии, который позволяет изготовлять преобразователи любой конструкции (линейные, розеточные, мембранные и т. и.) с высокой повторяемостью параметров. Фольговые тензорезисторы по сравнению с проволочными имеют ряд преимуществ. Они более чувствительны и точны за счет лучшей передачи деформаиии от детали к фольге, имеют хороший механический контакт с контролируемой деталью и позволяют пропускать через фольгу большой ток.

В настоящее время начинают находить применение полупроводниковые тензопреобразователи, изготовленные из полупроводниковых материалов – кремния, германия, мышьяка, галия и др.

В отличие от проволочных и фольговых преобразователей изменение сопротивления при деформации у полупроводниковых происходит благодаря изменению удельного сопротивления.

Основным преимуществом полупроводниковых преобразователей является высокая чувствительность (почти в 100 раз выше, чем у проволочных). Они имеют большой выходной сигнал, что позволяет в некоторых случаях отказаться от применения усилителя. Однако у них большой разброс параметров и низкая механическая прочность, т. е. они хрупки.

Тензометрические преобразователи находят применение в машинах литья под давлением для определения давления металла в камере прессования, а также при контроле качества термической обработки.

6. Фотоэлектрические первичные преобразователи

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т. е. они реагируют на изменение светового потока. Создание фотоэлектрических преобразователей оказалось возможным, когда были открыты материалы, электроны которых получают дополнительную энергию при воздействии световой энергии. Причем значение дополнительной энергии может быть таково, что часть электронов оказывается свободной.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают три группы фотоэлементов: с внешним и внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем (вентильные).

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 10, а) представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 образован светочувствительным слоем (цезий или сплав сурьмы с цезием) и нанесен на внутреннюю поверхность лампы, а анод 2 выполняется в виде кольца или пластины. Нередко в лампу вводят некоторое количество нейтрального газа (аргона), который не окисляет поверхность металла, но способен ионизироваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов значение протекающего тока. Под действием световой энергии с поверхности выбиваются электроны, образующие электрический ток (внешний фотоэффект). Промышленность выпускает фотоэлементы следующих типов: ЦГ – цезиевый газонакопленный; СЦВ – сурьмяно-цезиевый, вакуумный; ЦВ – цезиевый, вакуумный.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высокой чувствительностью и высокой температурной стабильностью. Для них характерна линейная зависимость фототока от светового потока. К числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, которые ограничивают их применение в автоматических системах управления, относятся: необходимость в повышенном напряжении питания; хрупкость стеклянного баллона; старение и утомляемость, т. е. снижение чувствительности при сильной освещенности.

Рис. 10. Фотоэлектрические преобразователи:

а – с внешним фотоэффектом; б – с внутренним фотоэффектом; в – вентильные

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) чувствительнее элементов первого типа, использующих фотоэффект со свободной поверхности металла. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом не нуждаются во вспомогательной энергии, и им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма. Недостатками их являются: подверженность влиянию окружающей температуры, утомляемость и высокая инерционность. Последнее ограничивает применение фотоэлементов с внутренним фотоэффектом при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.