Сведения о технических средствах автоматизации строительных машин

По функциональному признаку технические средства автоматизации

можно подразделить на четыре группы:

1) средства для получения информации о параметрах состояния

объектов контроля, регулирования или управления называемыми измерительными элементами или датчиками;

2) средства для приема, передачи и переработки измерительной

информации, а также для преобразования и передачи управляющих команд, включающие усилители сигналов, каналы связи, преобразователи и сравнивающие устройства, называемые преобразующими элементами;

3) средства для получения информации о задачах автоматического контроля, регулирования или управления, включающие запоминающие и программные устройства, преимущественно на базе микропроцессоров и микроЭВМ, которые называют задающими элементами;

4) средства для регулирования параметров контролируемых процессов, называемые исполнительными элементами. Они состоят из усилителей входных сигналов и исполнительных механизмов, преобразующих эти сигналы в энергию механических перемещений.

В некоторых автоматических системах присутствуют не все перечисленные элементы, однако отдельные элементы могут выполнять сразу несколько функций. Например, центробежный регулятор частоты вращения вала двигателя прямого действия является как измерительным элементом, так и исполнительным устройством.

Датчики. Датчиком называют первичный преобразователь измеряемой или контролируемой физической величины (давление, усилие, температура и т. д.) в выходной сигнал, предназначенный для дальнейшей регистрации, обработки и передачи к исполнительному механизму. Первичный преобразователь, непосредственно воспринимающий параметр состояния, называется чувствительным элементом.

Величину, воспринимаемую и контролируемую датчиком, называют входной (Х), а величину, преобразованную датчиком или вырабатываемую им, – выходной (У). Изменение входной величины Х в зависимости от изменения выходной величины У называют чувствительностью датчика.

По принципу действия бывают датчики механические, электрические, тепловые, акустические, оптические, радиоактивные.

По назначению (по входному сигналу) различают датчики перемещения, скорости, силы, давления, температуры, света, звуковые и др.

По способу преобразования неэлектрической величины в электрическую датчики подразделяют на активные (генераторные) и пассивные (параметрические).

В генераторных датчиках энергия выходного сигнала преобразуется (без участия вспомогательных источников энергии) в электрическую энергию выходного сигнала (ток, напряжение, электрический заряд). В параметрических датчиках под действием выходного сигнала изменяется какой-либо собственный параметр датчика (емкость, сопротивление, индуктивность). Для них необходим электрический источник питания.

В свою очередь, параметрические датчики подразделяют на потенциометрические, тензометрические, поворотно-трансформаторные, индуктивные и емкостные.

По конструкции и принципу действия чувствительного элемента датчики подразделяют на контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент в контактных датчиках непосредственно соприкасается с контролируемым объектом и в бесконтактных датчиках не соприкасается.

К последним относятся радиоактивные, ультразвуковые, фотоэлектрические и специальной конструкции щуповые датчики.

Датчики перемещения или положения – это устройства, служащие для получения информации о положении элементов машин, механизмов или угловых перемещений в электрические или другие величины. Они бывают контактными и бесконтактными.

К наиболее простейшим устройствам относятся конечные (концевые) или путевые выключатели, ограничивающие линейные или угловые перемещения механизма (рисунок 1).

а – рычажные; б – шпиндельные

Рисунок 1 – Концевые выключатели

Для ограничения линейного перемещения применяют рычажные выключатели (рисунок 1, а). При достижении механизмом или его частью крайнего положения этот механизм нажимает на рычаг 1 конечного выключателя, который переключает контактную группу 2.

Для ограничения углового перемещения механизма применяют шпиндельные выключатели (рисунок 1, б). Шпиндельный выключатель представляет собой пару винт-гайка. При этом винт 3 соединен с контролируемым механизмом с помощью механической передачи (зубчатой, цепной и т. п.). При его вращении гайка (кулачок) 4 перемещается в направляющих 6 до наезда на левый или на правый выключатели 7 и 8, переключающие контактную группу.

В слаботочных САУ применяют микропереключатели (рисунок 2) с двумя замыкающими и размыкающими контактами.

Рисунок 2 – Микропереключатель

Потенциометрические датчики служат для преобразования линейного или углового перемещения в электрический сигнал. Они выполнены в виде переменного сопротивления, т. е. представляют различные конструкции реостатов (с каркасами прямоугольного, круглого, кольцевого, профильного и ступенчатого сечения), подвижный контакт которых механически связан с контролируемым элементом (рисунок 3, а).

Характеристика потенциометрического датчика (рисунок 3, б) представляет собой зависимость изменения сопротивления (и соответственно выходного напряжения) от непрерывного изменения регулируемого параметра (перемещения). Из рисунка 3 видно, что сопротивление активной (рабочей) части датчика R_x зависит от перемещения движка l _x, который связан с исполнительным механизмом машины. Из этого следует, что статическая характеристика потенциометрического датчика представляет собой линейную зависимость между выходным напряжением датчика U_вых и перемещением его ползунка X.

а – реостатного типа; б – характеристика датчика

Рисунок 3 – Потенциометрический датчик перемещения

Индуктивные датчики основаны на изменении индуктивного сопротивления электромагнитного дросселя при перемещении одной из подвижных его деталей, обычно якоря. Они широко применяются для измерения малых угловых и линейных перемещений, деформаций, а также для управления следящими системами.

Индуктивный датчик представляет собой электромагнитный дроссель с переменным воздушным зазором «а», обмотка 1 которого включена последовательно с сопротивлением нагрузки R_н (рисунок 4, а). Магнитопровод и якорь 3 обычно выполнены из магнита – мягкого материала.

При увеличении воздушного зазора, представляющего входную величину, индуктивность обмотки дросселя, а также полное сопротивление обмотки уменьшаются, что ведет к увеличению тока в нагрузке.

Принцип действия поворотно-трансформаторного датчика (рисунок 4, б) основан на изменении взаимной индукции потокосцепления и значения ЭДС в обмотках датчикапри перемещении ферромагнитного сердечника с обмоткой W_в. На обмотку возбуждения W_в, расположенную на среднем стержне, подается напряжение питания U_вх, а с обмоток W₁, которые расположены на крайних стержнях, снимается выходное напряжение U_вых.

При симметричном положении ротора ЭДС в обмотках W₁равны между собой. В этом случае напряжение U_вых = 0. При смещении ротора от симметричного положения в обмотках W₁ создаются разные по значению ЭДС, в результате этого происходит изменение напряжения U_вых от 0 до максимального (b = 90⁰).

а – дроссельный; б – поворотно-трансформаторный

Рисунок 4 – Схемы включения индуктивных датчиков

В качестве индукционных датчиков в САР землеройно-транспортных машин применяют маятниковые датчики и датчики-щупы (рисунок 5).

а – маятниковый датчик; б – датчик-щуп

Рисунок 5 – Датчики углового положения индукционного типа

Маятниковый датчик (рисунок 5, а) состоит из качающегося на оси 3 тонкостенного полуцилиндра 4 со смещенным центром масс, с которым жестко соединен экран 2, и катушек 1, закрепленных на корпусе датчика, установленного на элементе (детали) машины, угловое положение которого измеряется. При отклонении этого элемента от заданного положения экран перемещается относительно катушек, изменяя выходной сигнал преобразователя.

Датчик-щуп (рисунок 5, б) состоит из перемещаемого по копиру (бордюру, копирной проволоке) щупа 8, посаженного на одну с экраном 5 ось 7, и бесконтактного датчика 6, жестко соединенного с корпусом, установленном на контролируемом органе. При повороте оси и связанного с ней экраном относительно бесконтактного датчика на угол, превышающий установленное значение, выдается дискретный сигнал, используемый для управления рабочим органом машины.

К генераторным датчикам относятся тахогенераторы и фотоэлектрические датчики. Тахогенератор представляет собой маломощную электрическую машину, преобразующую механическое движение в электрический сигнал. Тахогенераторы на выходе дают напряжение U_вых, пропорциональное частоте вращения, и применяются для измерения угловой ω или линейной V скорости. Принцип работы фотоэлектрических датчиков основан на фотоэлектрическом эффекте, сущность которого заключается в возникновении электрического тока при попадании на датчик света. Различают следующие фотоэлектрические датчики: фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды. Их применяют для дистанционного измерения перемещений.

Датчики силового воздействия предназначены для измерения давления жидкостей и газов, деформации твердых тел и колебаний.

Для измерения давления применяют первичные преобразователи силы, связанные с изменением столба жидкости, перемещением упругих элементов, электрическим сопротивлением или электродвижущей силой (рисунок 6).

В U-образных запаянной и незапаянной трубках давление P измеряют через разницу уровней жидкости h в вертикальных частях трубок; в сильфоне – через перемещение свободного конца герметичной гофрированной трубки; в мембране дифференциальном, контактном и тепловом датчиках – через перемещение плоскости гофрированной пластины; в трубчатых пружина – через угол раскручивания пружины; в дифференциальном датчике – через отклонение стрелки.

а – запаянная трубка; б – незапаянная трубка; в – сильфон; г – мембрана; д, е – трубчатые пружины; ж, з – дифференциальные датчики; и – контактные датчики; к – тепловой датчик

Рисунок 6 – Чувствительные элементы давления

Для измерения статических и динамических деформаций в конструкциях и узлах машин и преобразования этих деформаций в активное сопротивление применяют тензодатчики (рисунок 7, а, б). В основу этих датчиков положено свойство материалов изменять свое сопротивление под действием силы, к ним приложенной.

Проволочные тензодатчики представляют собой отрезок проволоки диаметром 0,02…0,5 мм. При расстоянии и сжатии конструкции происходит, соответственно, растяжение или сжатие проволоки датчика, что приводит к изменению длины l, площади поперечного сечения S и удельного сопротивления P проволоки. Относительное изменение сопротивления тензодатчика пропорционально усилию, приложенному к нему (рисунок 7, в).

а – на сжатие; б – на растяжение; в – статическая характеристика; 1 – корпус; 2 – проволока; 3 – выходные клеммы

Рисунок 7 – Тензометрические чувствительные элементы

Пьезоэлектрические вибродатчики (рисунок 8, а) применяют для измерения упругих колебаний частей машин. В этих датчиках пьезоэлектрические шайбы 7 находятся между подпружиненным грузом 5 и основанием корпуса 6 с резьбовым отверстием для крепления на вибрирующую поверхность. Вследствие колебаний груз оказывает силовое воздействие на шайбы с частотой контролируемой части машины.

а – вибродатчик; б –датчик усилий

Рисунок 8 – Пьезометрические датчики

Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на преобразовании механической энергии в электрическую, вследствие возникновения электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов, например, титана бария, при механическом воздействии на них. Пьезометрический датчик усилий (рисунок 8, б) состоит из корпуса 1, пьезоэлектрических пластин 2 с выводами 3, соединенными с регистрирующим прибором, и двухопорных плит 4.

Для контроля и регулирования температуры различных процессов применяют датчики, принцип действия которых основан на тепловом расширении двух тел с различными коэффициентами расширения, изменении давления газа внутри замкнутого объема, изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при изменении температуры, на термоэлектрических явлениях.

Простейшим элементом расширения является дилатометрический элемент (рисунок 9, а), состоящий из медной, латунной или стальной трубки 2 и стержня 1, изготовленного из инвара или керамики, совместно закрепленных в донной части 3 трубки. При одинаковой степени нагрева трубки и стержня из-за различных коэффициентов линейного расширения они получают различные линейные деформации. Температуру измеряемого тела определяют по разности этой деформации. Разновидностью дилатометрических элементов являются жидкостные элементы расширения (рисунок 9, б), представляющие собой герметически закрытую стеклянную трубку, частично заполненную жидкостью, например, этиловым спиртом.

Принцип действия прежний.

а – дилатометрический элемент; б – жидкостной элемент расширения; в, г – биметаллические чувствительные элементы

Рисунок 9 – Датчики расширения

Биметаллический чувствительный элемент (рисунок 9, в, г) состоит из двух сваренных вместе металлических пластин с различными коэффициентами линейного расширения. Температуру измеряют по отклонению ΔХ конца биметаллического стержня или по углу Δj отклонения от исходного положения конца спирали.

Чувствительные элементы термометров сопротивления (рисунок 10) представляют собой тонкую медную, никелевую или платиновую проволоку, навитую на каркас (терморезистор) (рисунок 10, а), или полупроводниковый теристорный элемент (рисунок 10, б) из смеси окислов никеля, марганца, кобальта, магния, титана, спрессованных и спеченных при высокой температуре в виде стержней, шайб, дисков и бусинок. Электрические элементы сопротивления и термисторы предназначены для измерения температуры через сопротивление проволоки или полупроводника, изменяемое при нагреве. Чувствительность термисторов на порядок выше чувствительности проводниковых терморезисторов.

а – терморезистор; б – полупроводниковый теристорный элемент; в – статические характеристики

Рисунок 10 – Чувствительные элементы термометров сопротивления

В датчиках расхода и уровня элемент, взаимодействующий с измеряемой средой, называют воспринимающим элементом. Различают воспринимающие элементы скоростные, объемные, переменного и постоянного перепадов.

Скоростной воспринимающий элемент (рисунок 11, а) представляет собой крыльчатку, устанавливаемую в потоке жидкости или газа, расход которых определяют по скорости вращения вала крыльчатки. В САР последний связан с датчиком системы регулятора. В качестве объемного датчика расхода можно применять любой гидромотор с подключенным к его валу измерителем. В датчике с элементом переменного перепада (рисунок 11, б) расход измеряют по разности давлений, регистрируемый манометром 2 до и после дросселя 1. В датчике постоянного перепада (ротаметра) (рисунок 11, в) воспринимающим элементом является поплавок 5 с линейкой 3, перемещающийся в коническом корпусе 4. Изменение расхода жидкости или газа вызывает изменение положения поплавка и, следовательно, проходного сечения между ним и корпусом. Равновесие поплавка наступает при постоянном расходе жидкости или газа.

а – скоростной; б – объемный; в – датчик с элементом переменного перепада; г – датчик с элементом постоянного перепада (ротаметр)

Рисунок 11 – Воспринимающие элементы расхода жидкостей и газов

Для измерения жидкости и сыпучих материалов применяют различные поплавковые и буйковые приборы, чувствительным элементом которых является плавающий (рисунок 12) или полностью погруженный в измеряемую жидкость поплавок (буек). Для этой же цели применяют емкостные приборы, работающие по принципу изменения электрической емкости датчика при изменении уровня измеряемой среды; мембранные, в которых давление столба измеряемой жидкости, уравновешивается упругой деформацией мембраны или пружины и др.

Рисунок 12 – Поплавковый датчик уровня

Для измерения и регулирования скорости вращения валов в машинах и механизмах применяют датчики угловой скорости (тахометры). Наиболее распространены механические и электрические тахометры. В механических тахометрах центробежного типа (рисунок 13, а) за счет центробежных сил, возникающих при вращении чашки 1, шарики 2 отбрасываются на периферию, воздействуя на тарелку 3, поджимающуюся к чаше пружиной 4.

По осевому перемещению тарелки судят о скорости вращения измеряемого вала.

а – датчик центробежного типа; б – схема тахогенератора постоянного тока с независимым возбуждением; в – индукционный датчик; г – магнитоиндукционный датчик

Рисунок 13 – Датчики угловой скорости

Электрические тахометры (тахогенераторы) представляют собой малогабаритные генераторы постоянного или переменного тока. На рисунке 13, б представлена схема тахогенератора постоянного тока с независимым возбуждением. Угловую скорость измеряют через напряжение генератора U_вых. Статическая характеристика промышленных тахогенераторов линейна, погрешность измерений – 2–3 %.

Для измерения угловой скорости также широко применяют индукционные датчики (импульсные генераторы), принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции, заключающейся в наведении ЭДС в электрическом контуре за счет изменения магнитного потока. Датчик (см. рисунок 13, в) состоит из вращающегося зубчатого ротора 5 и неподвижного магнита 6 с обмоткой 7. При вращении ротора к полосам магнита попеременно подходят то два выступа, то две впадины. Это приводит к изменению магнитного потока в сердечнике и появлению в обмотке электрического тока, амплитуда и частота которого пропорциональны частоте вращения измеряемого вала.

В магнитоиндукционных тахометрах (спидометрах) (см. рисунок 13, г) во вращающемся с угловой скоростью ωмагните 8 наводится ЭДС, которая вызывает появление в нем тока. В результате взаимодействия электрического тока с магнитным полем магнита возникает крутящий момент, стремящийся повернуть цилиндр 9 в направлении вращения магнита. Этому препятствует пружина 10, вследствие чего цилиндр поворачивается на угол ω, пропорциональный угловой скорости.

Для измерения скорости ветра при работе строительных кранов используют анемометры, датчиком которых является трехлопастная вертушка, вращающаяся со скоростью, пропорциональной скорости ветрового потока. Вертушка механически соединена с тахогенератором, сигнал от которого поступает на измерительный пульт, на передней панели которого установлены: указатель скорости ветра, кнопка разблокирования выходного реле и три сигнальных лампы – белая, желтая и красная. Белая лампа загорается при включении анемометра в сеть, желтая – при увеличении скорости ветра до предельно допустимого значения, красная – при длительных порывах ветра предельно допустимой скорости. При этом выходное реле самоблокируется. После уменьшения скорости ветра кнопкой разблокирования реле схему измерительного пульта возвращают в исходное (рабочее) состояние.

Контрольные вопросы

1 На какие группы подразделяют технические средства автоматизации по функциональному признаку?

2 Для чего применяют датчики? Какова структура датчика, что такое чувствительный элемент? Что такое входная и выходная величины? Что такое чувствительность датчика?

3 Приведите классификацию датчиков по принципу действия, по назначению и по способу преобразования неэлектрической величины в электрическую. В чем отличие генераторных датчиков от параметрических?

4 Для чего предназначены, как устроены и как работают датчики перемещения (положения), углового положения, силового воздействия, контроля и регулирования температуры, расхода и уровня, угловой скорости?