Файл: Шилов, В. Ф. Элементы электронной автоматики учебное пособие.pdf

(- ^ т

Гос. гг'5 .I'li-dH

Книга предназначена для учащихся 1 класса в качестве пособия по факультативному куроу "Элементы электронной ав­ томатики". Курс знакомит учащихся в теории и на практике о

Zэлементами электронной автоматики (датчиками, усилителями, / у исполнительными устройствами), автоматическими устройства­

ми и возможными их практическими применениями. Изложение материала курса широко опирается на теоретические и прак­ тические знания учащихся по физике.

Вкурс вошли два практикума из II лабораторных работ. Они знакомят учащихся о точными измерениями некоторых физи­ ческих величин, о многофункциональными измерительными при­ борами, с разработкой схем и конструированием простых ав­ томатических устройств.

Пособие написано по программе специального факульта­ тивного курса "Элементы электронной автоматики", рассчитан­ ного на 70 часов.

0Научно-исследовательский институт школ Министерства просвещения РСФСР, 1974.

- 3 -

ВВЕДШИЕ

Развитие всех областей техники в СССР в настоящее время характеризуется широкой автоматизацией производствен­ ных процессов. В программе КПСС говорится о том, что "в те­ чение двадцатилетия осуществится в массовом масштабе комп­ лексная автоматизация производства со все большим переходом к цехам и предприятиям-автоматам". Автоматизированное про­ изводство делает труд работников массовой профессии все бо­ лее интеллектуальным и создает материальную оснежу для ор­ ганического сочетания умственного и физического труда.

Автоматическими называются устройства, которые управ­ ляют различными процессами и контролируют их без непрерыв­ ного вмешательства человека. При атом не только высвобожда­ ется труд человека, но и повышается скорость и точность операций, что значительно повышает производительность труда.

Современные приборы электронной автоматики позволяют описать на языке электрических сигналов самые различные ха­ рактеристики физических и технических процессов, связанных

сизменением окорооти,давления, упругости, положения тела

впространстве, температура, освещенности, радиоактивности, химического состава ж многих других. Сравнительно простые электронные узлы производят о огромной скоростью самую раз­ нообразную обработку этих сигналов: запись и усиление, сравнение с эталоном, суммирование и др.

Автоматические устройства обеспечивают работу таких объектов, непосредственное обслуживание которых человеком невозможно из-за вредности (например, химические, ядерные энергетические установки), отдаленности (управление беспи­ лотными летательными аппаратами) или быстроты протекающих процессов.

К тону же автоматические устройства позволяет повыожть производительность умственного труда. Современные вычисли­ тельные машины заменяют труд тыояч счетных: работников в различных отраслях народного хозяйства.

Автоматические устройства состоят ив отдельных функцио­ нально связанных между собой конструктивных элементов, ко­ торые принято называть элементами автоматики.

При изучении курса физики средней школа вы познакоми­ лись со многими физичеокими явлениями, лежащими в основе работы элементов электронной автоматики. Содержанием же настоящего пособия является систематизация и классификация этих элементов, их техническое описание, показ практическо­ го применения их как в отдельности, так и в совокупности. Следующий конкретный пример дает возможность представить структуру и назначение как автоматического устройства в це­ лом, так и отдельных его элементов.

Необходимо поддерживать в электрической це.чж опреде­ ленную температуру. Если это задание дать человеку, то ои

ручки реостата изменит подачу электроэнергии в печь. Боли это же задание поручить автоматическому уотройотву, то принципиальная схема его работы не и8менятоя. Она будет

ооотоять из нзмерення температуры, сравнения результата о заданной температурой н ликвидации расхождения путем изме­ нения подачи электроэнергии в печь. Однако технические средства управления будут другими, так как автоматическое устройство не умеет пользоваться термометром. В этом случае контроль за температурой производит датчик (преобразователь), а не человек.

Датчик реагирует на изменение температуры и преобразу­ ет его в изменения злектричеокого тока или напряжения, по­ скольку последние более удобны для уоилення и дальнейшего превращения.

Боли схематически изобразить отдельные узлы описываемо­ го автоматического устройства (терморегулятора) прямоуголь-

- 5 -

нжкамж, то получим его структурную охему, которая показана на рисунке I. В соответствия со схемой ситная от датчика

Рис. 1

поступает на управляющий орган, который производит сравне­ ние температуры печи с заданной и при наличии расхождения подает соответствующую команду на исполнительный орган. Последний восстанавливает заданную температуру путем изме­ нения подачи электроэнергии в печь.

Таким образом, в автоматическом терморегуляторе проис­ ходит замкнутая цепь воздействий: объект регулирования че­ рез датчик воздействует на управляющий орган, а тот через исполнительный орган воздействует на объект регулирования. Эту замкнутую цепь воздействия можно разделить на дво час­ ти1! I) объект - датчик - управляющий орган - осуществляет функцию контроля за температурой в печи, 2) управляющий ор­ ган - исполнительный орган - объект - выполняют функцию Управления значением регулируемой величины - температуры. Первая часть осуществляет автоматический контроль, вторая - автоматическое управление.

Значит, в автоматических устройствах, предназначенных

" 6 **

устройство, осуществляющее сравнение фактического к задан­ ного значения регулируемой величины и преобразующее это расхождение в некоторую физичеокую величину, удобную для

ство, посредством которого регулятор осуществляет воздей­ ствие на регулируемый процесс.

Кроме названных узлов автоматические устройства содер­

жат:

1.З а д а т ч и к - устройство, в которое вводится заданное значение регулируемой величины.

2.У с и л и т е л ь - устройство являющееся проме­ жуточным звеном между маломощным органом сравнения и испол­ нительным органом, так как последний требует более высоко­ го уровня мощности, чем тот, который может быть обеспечен устройством сравнения.

Схемное и конструктивное исполнение задатчиков и орга­ нов сравнения для каждого автоматического устройства имеет овоИ особенности, которые целесообразно указать для каждо­ го автоматического устройства отдельно.

Датчики, уоилители и исполнительные устройства преоб­ разуют воздействия, полученные от предыдущего звена ожстемн (см. рио. I), я передают его последующему эвену. Конкрет­ но работу каждого элемента автоматического устройства можно представить следующим обрааом.

Пусть на входе элемента (рис. 2) имеется некоторая

входная величина, назовем ее х, тогда на выходе элемента

упоявится величина у . Таким образом, задачей датчика, уси­

лителя, исполнительного устрой­ Рис 2 ства является преобразование

вида или величины входного па-

раыетра х.

Входной величиной датчика может быть механическое переияаглие, температура среды, степень освещенности, вапря-

7

женность магнитного похя к др., которые преобразуются дат­ чиком в изменение тока или напряжения.

Уоилитель также преобразует входную величину х в

всего исполнительными элементами являются тяговые электро­ магниты, электромагнитные реле, шаговые искатели. Вое они работают скачками. При достижении входной величиной х определенного значения ( Xt ) - величины срабатывания - выходная величина изменяется окачком (рис. 4) и остается

бее изменения при дальнейшем увеличении входной величины X . Обратное ие уменьшение входной величины X до ер некоторого значения {. Х|.);приводит к скачкообразному возвращению выходной величины к первона­ чальному значению ( У| ).

Чтобы понять принцип рабо­ ты того или иного автоматичес­ кого, контрольно-измерительно­ го устройства в целом, необхо­ димо иметь хорошие представле­ ния об устройстве ж принципе действия его составных элемен­

тов: датчика, усилителя, исполнительного устройства и орга­ на сравнения.

- 8 -

ДАТЧИКИ

§ I. Общие характеристики и классификация датчиков

Датчики - воспринимающие элементы о непрерывной формой статической характеристики. Иначе говоря, датчики - это ор­ ганы "чувств" автоматических устройств, их глаза, уши, ор­ ганы обоняния и осязания. В отличие от человека, у которо­ го только пять органов чувств, у автомата их может быть значительно больше. Правда, не всегда автомату надо видеть, сливать и осязать одновременно, в большинстве олучаев ему достаточно только одного из этих "чувств", но зато ему иногда приходится "ощущать” такие явления, которые человек почувствовать не может. Например, следить.за инфракрасным излучением, за радирактивным. распадом, измерять высокие давления.

При настоящем развитии техники почти любая физическая или химическая величина может быть преобразована в электри­ ческое напряжение или ток при помощи соответствующих датчи­ ков, разного принципа действия я весьма разнообразных кон­ струкций.

Датчики,применяемые в контрольно-измерительных устрой­ ствах, должны иметь высокую чувствительность и точность преобразования. К тому же датчик не должен оказывать суще­ ственного обратного влияния на измеряемую неэлектрическую величину. А инерционность датчика должна выбираться с уче­ том скорости изменения исследуемого процесса.

- 9 -

Важнейшими характеристиками датчиков воех типов явля­ ются статическая и нияямичапкяя характеристики, чувствитель­ ность. Боли входная неэлектричеокая величина изменяется мед­ ленно, так что инерционные свойства датчика ве влияют на со­ отношение преобразования, то зависимость выходной величины от входной называют статической характеристикой датчика.

В общем виде отатичеокая характеристика датчика приве­ дена на рисунке 5. Из графика видно, что некоторому измене­ нию входной величины д Х соот­ ветствует изменение выходной - Д У .

Зависимость же выходной величины от входной при сравни­ тельно быстром изменении послед­ ней, когда на результаты преоб­ разования оказывает влияние инерционность датчика, выражают динамической характеристикой.

Отношение приращения выходной величины к вызвавшему это приращение изменению входной величины называют чувст­ вительностью датчика

_ д ____

”A X

7 датчиков с линейной статической характеристикой чувстви­ тельность постоянна и не завлонт от входной величины. 7 датчиков не о нелинейной зависимостью чувствительность из­ меняется о изменением входной величины.

Известно бояыое число датчиков различных по своей конструкции и назначению. Датчики по виду выходной величина можно разделить на две больше группы: параметрические и

неэлектрические величины в изменения параметров элементов электрических схем (сопротивление, емкооть, индуктивность и др.).