Файл: Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие.pdf

Размеры тензосопротивлений колеблются от 2,5 до 150 мм по длине и от 3 до 60 мм по ширине. Сопротивление тензодатчиков составляет чаще всего 100—200 Ом.

К недостаткам тензометрических датчиков можно отнести влияние температуры на величину сопротивления и сравнительно низкую чув­ ствительность.

Контактные датчики. В контакторно-релейных системах автоматики широкое применение находят контактные датчики. В этих датчиках происходит преобразование линейного перемещения измерительного

Рис. 15. Контактные датчики:

а — односторонний; б — двухсторонний.

органа в электрический импульс, который используется в дальнейшем либо^для привода исполнительного механизма, либо для приведения в действие его управляющего органа. Контактные датчики бывают двух типов — одностороннего (рис. 15, а) и двухстороннего (рис. 15, б) действия. В одностороннем датчике подвижный контакт располо­

жен на контактной пружине, которая деформируется под действием силы Р.

J3 одностороннем датчике один контакт неподвижный и один подвиж­

ный, в двухстороннем датчике — один подвижный и два неподвижных контакта.

Нечувствительность контактного датчика определяется величиной начального зазора 60 между контактами. Пока выходная величина измерительного органа не преодолеет зазор б0 между контактами, датчик будет бездействовать. Основным недостатком контактных дат­ чиков является ограниченный срок службы контактной системы.

2.3. ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Индуктивные датчики, принцип действия которых основан на изме­ нении индуктивного сопротивления катушки при перемещении сталь­ ного якоря, находят применение вследствие простоты и надежности конструкции, большой мощности на выходе и отсутствия подвижных контактов. Они широко используются при измерении и регулировании давления, расхода различных жидкостей и газов; могут замерять линейные и угловые перемещения в диапазоне от десятых долей микрона

38

до нескольких десятков миллиметров. Эти датчики работают от сети переменного тока на частотах от 50 Гц до нескольких килогерц.

Рассмотрим принцип действия индуктивного датчика, простейшая схема которого показана на рис. 16, а. Подвижный якорь 1 под дейст­ вием механического усилия Р меняет свое положение по отношению

а — простой; б — характеристика простого датчика; в — дифференциальный; г — ха­ рактеристика дифференциального датчика.

к неподвижному магнитопроводу 2, что приводит к изменению воздуш­ ного зазора 6. При изменении зазора 6, который является входной вели­ чиной датчика, будет изменяться индуктивное сопротивление катушки, а следовательно, и выходная величина — ток / в катушке при заданном напряжении U, т. е.

где Z = V R2+ (саГ)2 — полное сопротивление катушки датчика.

39

где w — число витков катушки; S — сечение магнитопровода.

Так как активное сопротивление R катушки незначительно по

линейна только на определенном участке. Линейность нарушается, когда активное сопротивление становится сравнимым с индуктивным. Индуктивные датчики выбирают так, чтобы в пределах зоны регули­ рования характеристика датчика была линейна.

Наибольшее распространение в практике получили д и ф ф е р е н ­ ц и а л ь н ы е и н д у к т и в н ы е д а т ч и к и (рис. 16, в), у кото­ рых входной величиной является смещение якоря относительно сред­ него положения, а выходной — напряжение UH.

Для среднего положения якоря такого датчика 6г = ö2, Uu — 0. При отклонении якоря от среднего положения на выходе датчика появится напряжение UKи будет возрастать по мере увеличения откло­

нения.

Характеристика дифференциального датчика показана на рис. 16, г. Для двух отклонений, одинаковых по величине, но различных по знаку, значения (/,, отличаются только фазами, которые противоположны.

Преимуществом дифференциальных датчиков перед простыми явля­ ются большая чувствительность и значительно меньшая погрешность от колебаний напряжения питания.

Недостатками всех индуктивных датчиков являются сильная зави­ симость их от частоты напряжения питания катушки, невозможность применения на высокие частоты, так как при высоких частотах резко

растут потери на перемагничивание и индуктивное сопротивление обмотки.

40

2 .4 . Е М КО С ТН Ы Е Д А Т Ч И К И

Как известно, емкость конденсатора зависит от формы и геометри­ ческих размеров электродов, от диэлектрической проницаемости и от расстояния между его обкладками.

Измеряемая неэлектрическая величина может непосредственно являться одним из перечисленных параметров конденсатора и, изме­ няясь, менять его емкость.

У емкостных датчиков входной величиной, как правило, являются линейное или угловое перемещение электродов конденсатора, их раз­ меры, конфигурация или диэлектрическая проницаемость, а выходной величиной — электрическая емкость конденсатора.

Рис. 17. Емкостные датчики:

а — плоский; 6 — с угловым перемещением; в — цилиндрический.

Различные примеры емкостных датчиков приведены на рис. 17. Для плоского конденсатора (рис. 17, а) его емкость, как известно, будет равна

пластинами (электродами) конденсатора;

S — площадь пластин (электродов) конденсатора;

X — расстояние (зазор) между пластинами конденсатора.

В этом датчике входной величиной может быть е, S или х, а выходной величиной будет емкость.

Чувствительность такого датчика будет равна

(ІС EyKtS

(2-17)

dx ~~ xz'

На рис. 17, б показан емкостный датчик с угловым перемещением электродов конденсатора, емкость для него будет равна

41

где d — расстояние между пластинами;

S — полная площадь пластин при а — 0; а — угол поворота подвижных пластин.

где е — диэлектрическая проницаемость среды, которой заполняется пространство между электродами.

Чувствительность датчика будет

<2-*»

' 4

Необходимо отметить, что имеется большое число измерительных органов, работа которых основана на емкостном принципе. Разработаны и разрабатываются емкостные датчики для измерения различных пара­ метров: влажности (почвы, зерна, цемента, угля, песка и т. п.), коли­ чественного состава, расхода различных сыпучих материалов, давле­ ний, толщины различных материалов и т. п. В последнее время широкое распространение получают емкостные датчики для измерения различных уровней вещества с цифровым отсчетом результатов изме­ рения, что позволяет передавать их на большие расстояния.

К недостаткам емкостных датчиков относится следующее: 1) мощ­ ность измеренного сигнала невелика, поэтому необходимо иметь уси­ лители для усиления регулирующего сигнала; 2) мощность емкостного преобразователя невелика, поэтому величина емкости составляет де­ сятки или сотни пикофарад; при промышленной частоте не удается полу­ чить значительную мощность, и емкостные датчики обычно питаются от источников повышенной частоты 10 кГц и более; 3) сильное влияние паразитных емкостей (особенно емкостей соединительных проводов относительно земли); паразитные емкости могут оказаться сравнимыми с емкостью датчика. Для устранения этого влияния используют экра­

нированные соединительные провода, а сам датчик экранируют метал­ лическим каркасом.

2.5. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Для измерения неэлектрических величин широко применяются

ф о т о э л е к т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и — ф о т о ­ э л е м е н т ы . Принцип действия фотоэлементов основан на фото­ электрическом эффекте, который представляет собой физическое явле­ ние взаимодействия излучения с веществом чувствительного элемента,

42

в результате чего энергия оптического излучения передается заряжен­ ным частицам вещества.

Различают фотоэлектрические преобразователи с внешним и с внут­ ренним фотоэлектрическим эффектом.

Внешний фотоэлектрический эффект характеризуется эмиссией электронов с поверхности вещества при поглощении им светового по­

няется из светочувствительного слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность колбы. Светочувствительным слоем может быть цезий или сплав сурьмы с цезием.

К промышленным типам фотоэлементов с внешним фотоэффектом относятся фотоэлементы типа: ЦГ (цезиевый газонаполненный арго­ ном), СЦВ (сурьмяно-цезиевый вакуумный) и ЦВ (цезиевый вакуум­ ный). Вольт-амперные характеристики таких фотоэлементов приве­ дены на рис. 18, б. Как видно из характеристик, фотоэлементы ЦВ и СЦВ имеют предел насыщения, потому что при данной освещенности количество выбиваемых свободных электронов является определен­ ной величиной. У фотоэлементов типа ЦГ при увеличении напряжения фототок резко возрастает за счет ионизации газа.

Внутренний фотоэлектрический эффект свойствен полупроводни­ кам. Фотоэлементы, принцип действия которых основан на использо­ вании внутреннего фотоэлектрического эффекта, называются ф о т о ­ э л е м е н т а м и с в н у т р е н н и м ф о т о э ф ф е к т о м .

Внутренний фотоэлектрический эффект характеризуется тем, что под действием светового потока свободные электроны, изменяя свое энергетическое состояние, остаются в веществе. При этом возникают свободные заряды, способные перемещаться внутри вещества, созда­ вая фотоэлектродвижущую силу (на этом принципе построены фото­ элементы с внутренним фотоэффектом) или изменяя электропроводность (на этом принципе построены фотосопротивления).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом часто называют в е н ­ т и л ь н ы м и ф о т о э л е м е н т а м и . Наиболее распространен­ ными вентильными фотоэлементами являются селеновые. На рис. 18, в показаны устройство и схема включения селенового фотоэлемента, а на рис. 18, г — его световые характеристики при различных сопро­ тивлениях нагрузки.

Элемент состоит из тонкой пленки золота /, запирающего слоя 2, селенового слоя 3 и стальной подкладки 4. На границе селена с золо­ том образуется запирающий слой, который, обладая детекторными свойствами, не позволяет электронам, выбитым световым потоком, возвращаться обратно. Световой поток проходит через пленку золота и создает вентильный фотоэффект, при котором электроны из освещен­ ного слоя переходят в неосвещенный слой, отделенный изоляционным запирающим слоем. Вследствие этого возникает разность потенциалов £ ф , которая обусловливает протекание тока / ф в нагрузочном сопро-

43