Датчики

Датчиком называют чувствительный элемент автоматического устройства, воспринимающий контролируемую величину и преобразующий её в сигнал, удобный для передачи на расстояние и воздействия на последующие элементы автоматических устройств.

Иногда датчик называют измерительным (воспринимающим) элементом. В частности, измерительным элементом датчик называют тогда, когда в качестве него используют обычный прибор измерительной техники (термометр, расходомер, уровнемер).

Наибольшее распространение получили датчики, в которых какие-либо неэлектрические величины (уровень, температура, расход) преобразуются в электрические (ток, напряжение и др.), так как последние могут легко измеряться, усиливаться, передаваться на значительные расстояния, а при необходимости преобразовываться в другие величины.

Датчики, в которых неэлектрические величины преобразуются в электрические могут быть разделены на 2 группы: параметрические, в которых изменение соответствующей неэлектрической величины преобразуется в изменение параметра электрической цепи – активное, индуктивное или емкостное сопротивление, и генераторные, в которых изменение неэлектрической величины преобразуется в электродвижущую силу.

Основной характеристикой датчика является его чувствительность S, т.е. отношение изменения величины выходного сигнала Y к изменению величины входного сигнала X датчика: S = Y/X.

Индуктивные датчики, основанные на изменении индуктивного сопротивления катушки, преобразовывают линейное или угловое перемещение измерительного органа в электрическую величину. Они нашли большое применение при измерении и регулировании давления и расхода различных жидкостей и газов благодаря простоте своей конструкции и возможности непосредственного использования тока промышленной частоты (50 Гц).

Рис. 2. Схемы электрических датчиков: а - индуктивный датчик с подвижным сердечником: 1 - сердечник; 2 - катушки индуктивности; ИЭ - измерительный элемент; б - реостатный датчик сопротивления: 1 - подвижная щетка; 2 - кольцевой реостат; емкостные датчики: в - линейного перемещения; г - вращательного перемещения; д — термоэлектрический датчик: 1 - электроды; 2 - изоляционные бусы; 3 - колпак; 4 - рабочий спай;

е — фотоэлемент с внешним фотоэффектом: 1 - стеклянная колба; 2 - фотокатод; 3 - поток электронов; 4 - цоколь; 5 - анод; 6 - источник света.

Индуктивные датчики (рис. 2, а), действие которых основано на изменении индуктивного сопротивления катушки, преобразуют ли­нейное перемещение измерительного органа в электрическую величину. Благодаря простоте своей конструкции их применяют при измерении давления и расхода жидкостей и газов. Индуктивный датчик состоит из подвижного сердечника и двух симметричных катушек индуктивности. Сердечник жестко связан с измерительным элементом. Когда сердечник располагается посередине катушек, их индуктивность одинакова. При смещении сердечника вверх или вниз соответственно изменяется индуктивность катушек.

Емкостные датчики (рис. 2, в, г), основанные на изменении емкости, в противоположность индуктивным мало чувствительны при частоте тока 50 Гц и требуют при этой частоте усилительных устройств. При высоких частотах порядка 1000 Гц и более они обладают хорошей чувствительностью.

Изменение емкости достигается регулированием расстояния между пластинами датчика, изменением их рабочей поверхности или диэлектрических свойств среды, в которой находятся пластины.

Датчики сопротивления применяют для преобразования неэлектрических величин, когда измерительный орган чувствительного элемента совершает линейное или вращательное движение, а также в тех случаях, когда сопротивление датчика может изменяться под воздействием параметров среды, в которой помещен датчик. Датчик сопротивления (реостатный) (рис. 2, б) применяется также для преобразования неэлектрической входной величины в электрическую в том случае, когда измерительный орган датчика фиксирует изменение входной величины разной величиной угла вращения оси прибора. Этот датчик, как и приведенный выше, широко применяется для дистанционной передачи результатов измерений. Изменение входной величины выражается изменением сопротивления обмотки реостата датчика.

Термоэлектрические датчики основаны на прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую. В качестве таких датчиков служат термопары (рис. 2, д), имеющие спай двух электродов из разных металлов. При нагревании спая между электродами возникает электродвижущая сила, пропорциональная температуре.

Фотоэлектрические датчики основаны на использовании воздействия изменений величины входного параметра на интенсивность светового излучения. Источником светового излучения обычно являются лампы накаливания. Иногда вместо светового излучения используют излучение рентгеновской трубки или радиоактивного вещества.

Приемниками световых излучений являются фотоэлементы с внешним фотоэффектом (рис. 2, е) (вакуумные и газонаполненные), фотосопротивления, вентильные фотоэлементы и фотоумножители. Приемниками радиоактивных излучений служат ионизационные камеры, газоразрядные счетчики.

Наряду с электрическими широко применяют датчики, непосредственно воспринимающие изменения неэлектрических величин (параметров). В качестве таких датчиков в схемах автоматики широко используют контрольно-измерительные приборы давления, уровня, расхода, температуры и качественного состава среды.

Реле.

В ряде случаев автоматическое управление может осуществляться путем скачкообразного изменения управляемой выходной величины при определенных значениях управляющей входной величины. Такое прерывистое воздействие на процесс называется релейным управлением, а используемые для этой цели устройства называются реле.

Реле обычно состоят из 3-ех основных органов: воспринимающего (чувствительного), который воспринимает управляющее входное воздействие и преобразует его в воздействие на промежуточный орган; промежуточного, который при достижении управляющим воздействием заданной величины, передает это воздействие исполнительному органу; исполнительного, осуществляющего скачкообразное изменение управляемой входной величины.

У реле, предназначенных для управления работой электрических цепей, исполнительным органом служат контакты; существуют также и бесконтактные (электронные, магнитные) реле.

Классификация реле.

Реле можно классифицировать по ряду признаков. В зависимости от рода воспринимаемых физических явлений их делят на электрические и неэлектрические (тепловые, механические, оптические, акустические и др.).

Электрические реле по принципу действия делят на электромагнитные: нейтральные и поляризованные (рис. 3, 4); магнитоэлектрические; электронные; ионные; индукционные и по параметру, на который реагирует воспринимающий орган на реле тока, напряжения, мощности, частоты, сдвига фаз.

Рис. 3. Электромагнитное поляризованное реле

1 – контакты;

2 – якорь;

3 – магнитопровод;

4 – обмотка электромагнита;

5 – постоянный магнит

Рис. 4. Электромагнитное нейтральное реле

1 -якорь; 2 – сердечник; 3 – штифт; 4 – контакты; 5 – обмотка электромагнита; 6 – корпус; 7 – возвратная пружина; 8 – воздушный зазор между якорем и сердечником.

Тепловые делят на реле с линейным расширением, биметаллические, реле с плавлением.

Механические реле по воспринимаемому параметру делят на реле силы, перемещения, скорости, ускорения, частоты.

По назначению различают: пусковые реле (контакторы, магнитные пускатели); реле, включающие и выключающие различные агрегаты с помощью кнопок, расположенных на пульте управления; максимальные, отключающие контролируемый участок электрической цепи, когда ток, напряжение, температура, давление и т.д. станут больше определенного значения; минимальные, отключающие контролируемый участок электрической цепи, когда напряжение, ток, температура, давление и т.д. станут меньше определенного значения; промежуточные, которые служат для изменения воздействующего импульса, когда мощность контактов первичного реле недостаточна; реле времени, срабатывающие через определенное время после запуска, обеспечивая тем самым необходимую выдержку при включении различных электрических цепей.

Реле времени широко применяют в схемах автоматизации. Реле времени имеют много разновидностей. Для кратковременной выдержки времени используют схемные способы замедления срабатывания электромагнитных реле. Для увеличения выдержки времени применяют реле с механическим замедлением срабатывания, а также мотор­ные реле времени (рис. 5), принцип действия которых состоит в следующем. При замыкании ключа К, синхронный мотор СД с редуктором начинает вращаться. Одновременно возбуждается электромагнит ЭМ и сцепляет шестерни Z₁ и Z₂. На одной оси с шестерней Z₁ закреплены профильные шайбы (кулачки), одна из которых S показана на рис. 4. Мотор начинает вращать профильные шайбы в направлении, указан­ном стрелкой, натягивая при этом пружину F₂.

Рис. 5. Моторное реле времени.

Как только уступ выреза профильной шайбы S подойдет к выступу рычага С, рычаг под действием пружины F₃ повернется, разомкнув контакты 1—2 в цепи мотора СД и замкнув контакты 3—4 выходной цепи реле. Остальные профильные шайбы на оси шестерни Z₁ должны быть установлены на другие независимые выдержки времени и замыкать (или размыкать) каждая свои контакты внешних цепей. При размыкании контактов 1—2 мотор СД останавливается, а все профильные шайбы остаются в том положении, которого они достигли вплоть до размыкания ключа К. При размыкании ключа К, электромагнит ЭМ отпустит якорь и пружина F₂ расцепит шестерни Z₁ и Z₂. Профильные шайбы под действием пружины F₂ повернутся назад до упора А. При этом контакты окажутся вновь в исходном положении и реле времени готово к новому включению. Время срабатывания данного контакта определяется положением шайб на оси шестерни Z₁ Заданное время устанавливается с помощью шкалы, градуированной в минутах и секундах.