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

- 27 -

то по показаниям измерительного прибора (миллиамперметра) можно судить о емкости конденсатора.

Конструктивно емкостные датчики могут быть весьма раз­ нообразны, приведем основные из них.

Емкостный датчик с переменным расстоянием между обклад­ ками выполняют обычно в виде плоского двухэлектродного воз­ душного конденсатора с одной подвижной пластиной (рис. 26).

При перемещении подвижной пластины, например' вверх,емкость конденсатора уменьшается, уменьшается и ток, протекающий через него. Зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками обратно пропорциональная. Ее графическое выражение показано на рисунке 27. Такого рода емкостные датчики часто вводят в резонансные контуры. Это позволяет получить высокую чувствительность при измерении перемещения.

Для увеличения емкости применяют многопластинчатые ем­ костные датчики, представляющие ряд рассмотренных конденса­ торов, расположенных один над другим. Подвижные пластины укреплены на общем штоке. Емкость таких датчиков составляет десятки или сотни пикофарад. Обычное расстояние между плас­ тинами - десятые доли миллиметра. Емкостные датчики такого типа позволяют измерять весьма малые перемещения, доходящие в лабораторных условиях до 1СГ® ынк, а в технических устрой­ ствах - до десятых долей микрона.

Емкостный датчик с переменной площадью пластин пред­ ставляет собой воздушный конденсатор переменной емкости (рис. 28). При смещении подвижной пластины относительно не­ подвижной изменяется величина активной площади конденсатора и, следовательно, величина емкости. Эта зависимость выраже-

- 28 а

на графически и показана на рисунке 29. Обычно такого рода датчики применяет для преобразования угловых перемещение в изменение емкости.

Емкостный датчик с переменной диэлектрической спелой (рис. 30) может быть применен для измерения уровня жидкости,

определения диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ. Чем ниже уровень жидкости в трубке, тем большая часть пространства заполнена воздухом и тем меньше емкость конденсатора. Если жидкость диэлектрик, например вода, то в этом случае величина емкости значительно возрастает, так как диэлектрическая проницаемость для жидкости несравненно больше, чем для воздуха.

Как уже было сказано, питание емкостных датчиков произ­ водят напряжением высокой частоты. Это связано с тем, что они имеют небольшую емкость и, следовательно, высокое реак­ тивное сопротивление. Повышением частоты питающего напряже­ ния это сопротивление можно значительно снизить. Так, напри-

- 29 -

мер, при емкости датчика 100 пф сопротивление его при час­ тоте питающего напряжения 50 гц будет примерно З Л О 7 ом, а на частоте 100 кгц - только 160 ом.

Погрешности емкостных преобразователей в основном оп­ ределяются изменением геометрических размеров его деталей к диэлектрической проницаемости среды между обкладками при изменении температуры.

§ 10. Индуктивные датчики

Индуктивные датчики делятся на две группы: низкочас­ тотные и высокочастотные. Принцип действия и тех и других основан на изменении индуктивного сопротивления катушки датчика под влиянием преобразуемой величины. Это сопротив­ ление иэменяетоя пропорционально изменению индуктивности катушки и частоты питающего датчик напряжения.

В низкочастотных преобразователях индуктивность опре­ деляется особенностями конструкции преобразователя: типом и размером сердечника, его магнитной проницаемостью, коли­ чеством витков и диаметром провода катушки, величиной зазо­ ра в замкнутой магнитной системе, положением сердечника в 'соленоидной катушке, концентрацией магнитного материала

в наружной' части магниторровода. Обычно в индуктивных дат­ чиках переменными величинами, влияющими на суммарную индук­ тивность, являются величина.завора, положение сердечника в катушке и концентрация магнитных материалов в наружной час­ ти м&гнитопровода.

Таким простейшим измерительным элементом является дрос­ сель о изменяющимся воздушным зазором или изменяющейся пло­ щадью поперечного сечения магнитной цепи (рис. 31). Катушка данного дросселя, так хе как катушки всех других существую­ щих типов индуктивных измерительных элементов, питается пе­ ременным током. При перемещении подвижного якоря I индук­ тивное сопротивление катушки 2 будет изменяться. Таким об­ разом механическое перемещение может быть преобразовано в изменение величины тока, проходящего через катушку 2. В тех

Рис 31 Рис 32

случаях, когда требуется получить от измерительного элемен­ та повышенную чувствительность и меньшую погрешность от ко­ лебаний температуры и напряжения питания, применяют индук­ тивные измерительные элементы дифференциального типа (рис. 32). Он состоит из двух дросселей с общим воздушным зазором, который изменяется с помощью якоря. При среднем положении якоря I индуктивное сопротивление обоих дроссе­ лей 2 будет одинаковым. При отклонении якоря от среднего

положения изменяется воздушный зазор между якорем и сердеч­ никами катушек. У одной катушки зазор увеличивается, у дру­ гой уменьшается, поэтому индуктивное сопротивление первой катушки уменьшится, второй - увеличится. Датчики подобного рода применяют для измерения перемещений порядка десятых и сотых долей миллиметра.

Индуктивный датчик соленоидного типа (рис. 33) состоит из катушки с большим числом витков и подвижного сердечника. При погружении сердечника во внутрь катушки ее индуктивность увеличивается и уменьшается ток, проходящий через нее. Дат­ чики такого рода служат для измерения перемещений в пределах от 3 до 100 мм ж применяются для регистрации уровней жид­ кости, механических перемещений деталей контролируемых объектов..

- 31

Индуктивный датчик о изменяющейся концентрацией маг­ нитных материалов в наружной части нагнитоггровода (рис.34)- это обычный дроссель, индуктивность которого изменяется при изменении однородности наружной части материала.

Для измерения статических, знакопеременных и быстроизменлющихоя нагрузок применяют магнитоупругие датчики (рис. 35). Это замкнутый магнитопровод I, на средний сер­ дечник которого помещают катунку 2. Катушка питается пере­

менным током повышенной частоты. Под действием приложенного к сердечнику усилия магнитная проницаемость магнитопровода изменяется, а это ведет к изменению индуктивного сопротив­ ления катушки.

Однако датчики такого рода обладают значительными пог­ решностями вследствие зависимости магнитной проницаемости

- 32 -

от температуры и величины тока в катушке.

Действие высокочастотнят индуктивных датчиков основано на следующем. Если через катушку индуктивного датчика про­ пустить высокочастотный переменный ток и в созданное им магнитное поле поместить проводящий материал, то электричес­ кие параметры катушки (индуктивность, добротность) изменят­ ся. Так происходит потому, что в проводящих материала?, на­ ходящихся в переменном магнитном поле, наводятся вихревые токи. Они создают свое вторичное магнитное поле, которое направлено против первичного и тем самым ослабляют его. А ослабление первичного магнитного поля вторичным равносильно уменьшению индуктивности катушки.

Достоинством высокочастотных индуктивных датчиков яв­ ляется то, что, изменяя в широких пределах величину тока ■ частоту питающего напряжения, можно значительно изменять чувствительность датчика и тем самым приспосабливать его к конкретным, интересующим вас, свойствам исследуемой среды.

Высокочастотные индуктивные датчики часто применяют для контроля диаметра проволоки (рис. 36) из различных ма­ териалов (с точностью до I мк ) , влажности сыпучих материа­ лов, концентрации растворов, для определения дефектов (тре­ щин, раковин) в металлических отливках к трубах.

ГЕНЕРАТОРНЫЕ ДАТЧИКИ

Вотличие от параметрических генераторные датчики не . нуждаются в источнике тока. Они сами под внешним воздейст­ вием становятся источниками э.д.с. К генераторнш датчикам относятся вентильный фотоэлемент, термоэлемент, пьезоэле­ мент и индукционный датчик.

§II. Фотоэлектрический датчик

Вфоторезисторах электроны, ставшие свободными под дей­ ствием света, остаются в веществе и повышают его электропро­ водность. В вакуумных фотоэлементах под действием света

33 -

свободные электроны покидают вещество (катод) и под дейст­ вием электрического поля движутся к аноду. Но возможно и промежуточное явление, когда электроны, ставшие свободными, из слоя освещенного вещества (например, у селенового фото­ элемента) переходят в слой неосвещенного, отделенного тон­ ким запирающим слоем.

В технике распространены меднозакисные, селеновые, оерннсто-серебряные, сернистоталлиевые, германиевые и крем­ ниевые фотоэлементы. В принципе конструкция воех фотоэлемен­ тов с запирающим слоем одна и та же. Для примера рассмотрим устройство и схему включения селенового фотоэлемента (рио. 37).

Рас 37

Основанием фотоэлемента служит металлический дисковый электрод I. На нем нанесен тонкий слой селена 2, а на послед­ ний - полудроэрачннй слой золота 4. При диффузии атомов золота в селен (полупроводник p-типа) в последнем образу­ ется, слой П -типа. Между двумя полупроводниками о разными типами электропроводности создается p- и переход 3, кото­ рый является запирающим слоем. При освещении полупроводни­ ка в нем освобождаются дополнительные носители заряда - электроны проводимости и дырки. Электроны под действием электрического поля р-п перехода движутся к верхнему (золотому) электроду и заряжают его отрицательно. Слой се­ лена и вместе с ним металлическое основание фотоэлемента заряжаются положительно. На электродах образуется фотоад.с., а во внешней цепи пойдет ток.

- 34 -

Вентильные фотоэлементы выгодно отличаются от вакуумных интегральной чувствительностью, под которой понимают отно­ шение величины тока в реииме короткого замыкания ( RH в 0)

квеличине светового потока.

Сувеличением нагрузочного соцротивленяя во внешней цепи фотоэлемента интегральная чувствительность падает. Это видно из рисунка 38, на котором показаны световые характе­ ристики селенового вентильного элемента при различных-сопро­ тивлениях нагрузки; Зависимость между током и оветовым потоком

близка к линейной только в ре­ жиме короткого замыкания или при малых сопротивлениях наг­ рузки. Фотоэлектрические про­ цессы, протекающие в вентиль­ ных фотоэлементах, обладают заметной инерционностью, кото­ рая обусловлена, главным обра­

зом, большой собственной емкостью вентильных элементов, так как запирающий слой играет роль диэлектрической прок­ ладки между двумя электродами.

Высокой чувствительностью и малой инерционностью обла­ дают фотодиоды, обычные полупроводниковые диоды, в корпусе

Фотодиоды могут работать в режше А, когда они подобны вентильному фотоэлементу, а в режиме Б - подобны фоторезисторам, т.е. изменение интенсивности излучения вызывает из­ менение их сопротивления в непроводящем направлении.

Фотодиоды обладают высокой чувствительностью (4-30 ма/ям), компактны и просты.

Кремневые фотоэлементы используют в солнечных батареях, х.п.д. которых достигает 10%, в то время как у селеновых при тех же условиях к.п.д. составляет 0,2%. В летний день солнечная батарея может отдавать в нагрузку до 100 вт с

- 35 -

I м2 поверхности батареи, когда ата поверхность перпенди­ кулярна лучам оолица.

Вентильные фотоэлементы широко применяются в приборах для измерения освещенности, а такие в раз­

личных автоматических устройствах.

§12. Термоэлектрический датчик - термопара

Воснове действия термопары лежит явление термоэлектри­ ческого эффекта, соглаоно которому при соединении двух раз­ нородных проводников из-за их различной плотности "электрон­

ного газа" происходит диффузия электронов из металла, где плотность такого газа больше, в металл с меньшей плотйоотью электронного газа. При нагревании места соединения проводников на овободннх концах проводников появится э.д.о.

Термопара (рио. 39) состоит из двух разнородных про­ водников А и Б, концы которых спаяны между собой. При раз­

Рис 39 Рис 40

Для измерения термо-з.д.с. в цепь термопары (рис.40) вводят милливольтметр. При этом в цепи появляется третий проводник В,соединяющий ее о измерительным прибором. Если оба конца проводника В имеют одинаковую температуру t г % то присоединение измерительного прибора не изменяет величи­ ны э.д.о. термопары.

Величина термо-э.д.с. зависит от материала термопары и разаоотн температур. Зависимость э.д.с. от температуры ( щ ш t<i= 0) показана на рисунке 41.

- 36 -

Общими требованиями, предъявляемыми к термопарам и ма­ териалам для их изготовления являются: а) механическая и хи­ мическая устойчивость при высоких температурах, б) однознач­ ная зависимость термо-э.д.с. от температуры, в) хорошая тер­ мо- и электропроводность.

Термопары применяются в качестве источника тока (тер­ мобатареи для питания радиоприемников) и в качестве термо­ метров. Для измерения температур до Ю00°С применяют термо­ пары из металлов, а для измерения еще более высоких темпе­ ратур из специальных жаропрочных материалов, например, вольфрам-молибден.

При использования термопары в качестве датчика ее не­ обходимо предварительно проградуировать, т.е. определить зависимость э.д.с. от температуры рабочего конца при опре­ деленной температуре "холодного" конца, обычно равной +20°С.

В автоматике термопары часто применяют для сравнения температур в двух точках. Такие термопары называют диффе­ ренциальными (рис. 42). Оба конца такой термопары являются рабочими и термо-э.д.с. отличается от нуля, когда темпера­ туры концов неодинаковы. Причем полярность зависит от того, какая температура выше t-i или t z . Измерительный при­ бор включается в разрыв одного из термоэлектродов, причем температуры обеих точек присоединения должны быть одинако­ выми, тогда как сама величина этой температуры значения не имеет. Зависимость термо-э.д.с. от температуры приблизитель­ но линейная.