загрузка...

2651

Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Настоящий учебник написан в соответствии с учебной программой предмета «Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики» и предназначен для учащихся электроприборостроительных техникумов, обучающихся по специальности «Производство электро...

Русский

2012-11-12

6.81 MB

185 чел.

Настоящий учебник написан в соответствии с учебной программой предмета «Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики» и предназначен для учащихся электроприборостроительных техникумов, обучающихся по специальности «Производство электронных и электрических средств автоматизации». Он может быть полезен и учащимся других специальностей при изучении основ автоматики.

При изложении материала предполагается, что учащиеся хорошо усвоили курсы физики, математики, электротехники. В результате изучения курса «Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики» учащиеся должны уяснить физические основы и принципы действия элементов автоматики различных типов, знать их основные технические характеристики и особенности конструкций. В книге приведены формулы, описывающие работу элементов автоматики, а также расчетные соотношения, пригодные для практического использования. Учащийся должен уметь технически грамотно и обоснованно выбрать соответствующий поставленной задаче элемент, рассчитать его основные характеристики, правильно использовать его при эксплуатации.

Книга состоит из четырех разделов. В первом разделе приведена классификация элементов автоматики в соответствии с выполняемыми ими функциями в системе автоматического регулирования. Даны краткие сведения по физическим основам работы элементов и основным измерительным схемам. Во втором — рассмотрены датчики систем автоматики: контактные, потенциометрические, тензометрические, индуктивные, трансформаторные, индукционные, пьезоэлектрические, емкостные, температурные, струнные, фотоэлектрические и основанные на эффекте Холла. В третьем разделе описаны коммутационные элементы с ручным и электромагнитным приводами, в том числе нейтральные и поляризованные реле, контакторы и магнитные пускатели, а также электромагнитные муфты. В четвертом — магнитные усилители, модуляторы и бесконтактные магнитные реле.

Отличием данного учебника является то, что в нем более полно даются многообразные типы датчиков для электрических систем автоматики, в рамках одной книги рассмотрены информационные, коммутационные, усилительно-преобразовательные и исполнительные устройства автоматики. При изучении курса учащимся следует, прежде всего, твердо усвоить назначение элементов автоматики и их взаимодействие в системе. Затем каждый элемент можно изучать, используя материал соответствующей главы. Для закрепления практических навыков рекомендуется выполнять примеры расчетов и строить графики основных характеристик, прежде всего зависимости выходного сигнала от входного. При выполнении лабораторного практикума также следует обращаться к соответствующим главам данного учебника.

Автор благодарен рецензентам Т. Д. Королевой и Э. И. Болотиной, а также кандидатам технических наук Э. В. Андрееву, И. М. Болотину, И. П. Дешко за полезные советы и замечания, которые были учтены при работе над рукописью, и просит читателей направлять свои пожелания и замечания по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».

Автор


ВВЕДЕНИЕ

Для повышения благосостояния советского народа необходимо существенное увеличение производительности труда, которое возможно лишь на основе широкого внедрения комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.

Рассмотрим подробнее понятия «механизация» и «автоматизация». Что между ними общего и в чем различие?

Механизация — замена ручных средств труда машинами и механизмами. С их помощью человек может поднимать и перемещать тяжелые грузы, резать, ковать и штамповать металл при изготовлении деталей, добывать руду и топливо из недр земли. Но управление этими механизмами осуществляется человеком: он должен постоянно контролировать ход производственного процесса, анализировать его, принимать решения и воздействовать на этот процесс. Например, рабочий при обработке детали на станке должен измерять размеры детали, определять ее качество (чистоту обрабатываемой поверхности, прочность и т. п.), т. е. получать информацию путем измерений. В зависимости от результатов измерений рабочий изменяет скорость резания, величину подачи инструмента, т. е. принимает и исполняет решение. Таким образом, при механизации требуется постоянное участие человека во всем ходе производственного процесса.

Автоматизация производственных процессов — применение технических средств и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в этих процессах. Автоматизация облегчает умственный труд человека, освобождает его от сбора информации, ее обработки, исполнения принятого решения. В системах автоматики получение, передача, преобразование и использование информации осуществляются без непосредственного участия человека.

Для получения информации о ходе производственного процесса применяют датчики — элементы автоматики, преобразующие самые разные физические величины (размеры, температуру, давление, расход, скорость, уровень, влажность и т. д.) в некоторый сигнал, удобный для последующей обработки в автоматическом устройстве или ЭВМ. Затем этот сигнал обрабатывается: сравнивается с другими сигналами, анализируются его изменения.

В результате обработки информационных сигналов вырабатываются исполнительные сигналы, которые и воздействуют на технологический процесс. Эти сигналы в исполнительных элементах автоматики преобразуются в механическое воздействие, перемещающее деталь или инструмент, закрывающее или открывающее кран, включающее или отключающее нагревательную установку и т. п. Так как это воздействие требует значительной энергии, то, как правило, обработка информационных сигналов предусматривает их усиление.

Таким образом, системы автоматики состоят из датчиков, усилительно-преобразовательных и исполнительных элементов.

Наиболее универсальным и удобным для систем автоматики оказался электрический сигнал. По сравнению с другими (пневматическими или гидравлическими) электрический сигнал имеет ряд преимуществ, основными из которых являются следующие.

  1.  Электрический сигнал можно передавать на большие расстояния.
  2.  Энергию электрического сигнала можно преобразовывать в другие виды энергии (прежде всего в наиболее необходимые на любом производстве механическую и тепловую энергии).
  3.  Электрический сигнал можно обрабатывать (в том числе усиливать) с помощью простых технических средств.

Поэтому наибольшее распространение получили электрические системы автоматики, т. е. использующие именно электрический сигнал.

О широком распространении электрических элементов автоматики можно судить хотя бы по тому, что каждый из нас постоянно сталкивается с ними в быту. В домашних условиях мы имеем дело с датчиками температуры в холодильнике и утюге, различными переключателями и реле в электрофоне, магнитофоне, потенциометрическими, индуктивными и емкостными датчиками, используемыми для настройки радиоприемника и телевизора. Ну а насыщенность современного производства элементами автоматики во много раз выше. Уже действуют цехи, где нет ни одного рабочего, всеми механизмами управляют элементы автоматики.

В нашей стране создана Государственная система приборов и средств автоматизации (ГСП), в которую входят тысячи самых разнообразных элементов, с помощью которых может быть построена практически любая система автоматики. Естественно, что элементы, входящие в ГСП, непрерывно совершенствуются, а состав системы расширяется.

Глава 1.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

§ 1.1. Состав систем автоматики

Системы автоматики предназначены для получения информации о ходе управляемого процесса, ее обработки и использования при формировании управляющих воздействий на процесс. В зависимости от назначения различают следующие автоматические системы.

Системы автоматической сигнализации предназначены для извещения обслуживающего персонала о состоянии той или иной технической установки, о протекании того или иного процесса.

Системы автоматического контроля осуществляют без участия человека контроль различных параметров и величин, характеризующих работу какого-либо технического агрегата или протекание какого-либо процесса.

Системы автоматической блокировки и защиты служат для предотвращения возникновения аварийных ситуаций в технических агрегатах и установках.

Системы автоматического пуска и остановки обеспечивают включение, остановку (а иногда и реверс) различных двигателей и приводов по заранее заданной программе.

Системы автоматического управления предназначены для управления работой тех или иных технических агрегатов либо теми или иными процессами.

Важнейшими и наиболее сложными являются системы автоматического управления. Управлением в широком смысле слова называется организация какого-либо процесса, обеспечивающая достижение поставленной цели. Общие законы получения, хранения, передачи и преобразования информации в управляющих системах изучает кибернетика. Таким образом, изучение систем автоматики также является одной из задач кибернетики. Технические средства, с помощью которых построены автоматические системы, называются элементами автоматики.

Рассмотрим назначение этих элементов в системе автоматического регулирования. Работа любого технического агрегата или ход любого технологического процесса характеризуются различными физическими величинами, например температурой, давлением, скоростью, расходом вещества. Эти величины должны поддерживаться на заданном уровне или изменяться по заданному закону. С помощью системы автоматического регулирования (САР) автоматически решаются задачи изменения какой-либо физической величины по требуемому закону. Физическая величина, подлежащая регулированию (изменению по заданному закону) в САР, называется обычно регулируемой величиной, а технический агрегат, в котором осуществляется автоматическое регулирование,— объектом регулирования. Автоматическое регулирование является частным случаем автоматического управления. Цель управления в этом случае как раз и заключается в обеспечении требуемого закона изменения регулируемой величины.

Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой величины, т. е. y{t)—регулируемая величина. Через g(t) обозначим функцию, характеризующую требуемый закон ее изменения. Величину g(t) будем называть задающим воздействием. Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства y(t)=g(t). Большинство САР решают эту задачу, используя принцип регулирования по отклонению. Функциональная схема такой САР показана на рис. 1.1. Суть принципа регулирования по отклонению заключается в следующем. Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на элемент сравнения (ЭС). На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздействие g (t). В ЭС величины g(t) и y(t) сравниваются, т. е. из g(t) вычитается y{t). На выходе ЭС формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка A=g(t)у (t). Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования (ОР). Это воздействие будет изменяться до тех пор, пока регулируемая величина y(t) не станет равна заданной g(t). На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воздействия: нагрузка объекта, внешние факторы и др. Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину y{t). Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формирует управляющий сигнал, стремящийся свести это отклонение к нулю. По своему назначению элементы, входящие в состав систем автоматики, разделяются на чувствительные, усилительные и исполнительные.

Датчики являются чувствительными элементами. Они измеряют регулируемую величину объекта регулирования и вырабатывают на выходе сигнал, пропорциональный этой величине. Входной величиной датчика может быть любая физическая величина:

Рис.  1.1. Функциональная схема системы  автоматического регулирования

механическое перемещение, температура, давление, расход, влажность, усилие и др. Датчики могут использоваться и для формирования задающего воздействия. Входной сигнал в этом случае может поступать от какого-либо штурвала, с перфорированной или магнитной ленты, от управляющей вычислительной машины. Сравнение регулируемой величины и задающей величины осуществляется в элементе сравнения, в качестве которого используется измерительная схема, формирующая сигнал ошибки (отклонения). Полученный сигнал ошибки обычно недостаточен по мощности для создания регулирующего воздействия, поэтому его необходимо усилить. Для этого служат усилительные элементы. Исполнительные элементы воздействуют на объект регулирования в направлении восстановления требуемого значения регулируемой величины. Обычно такое воздействие заключается в перемещении какого-либо регулирующего органа — заслонки, клапана и т. п.

Системы автоматики могут быть построены с использованием сигналов различной физической природы: электрических, механических, пневматических, гидравлических. Наибольшее распространение получил электрический сигнал: его удобно передавать на расстояние, обрабатывать и запоминать, преобразовывать в другие виды сигналов. Поэтому электрические элементы автоматики получили самое широкое распространение.

Одним из основных и важнейших видов электрических элементов являются электромеханические и магнитные элементы, использующие электрические и магнитные явления. Подавляющее большинство различных неэлектрических величин может быть преобразовано в электрический сигнал с помощью электромеханических и магнитных датчиков. Усиление электрических сигналов может быть обеспечено с помощью магнитных или релейных усилителей, построенных на электромагнитных реле. Наряду с магнитными большое распространение получили полупроводниковые усилители, являющиеся более перспективными. В процессе усиления порой возникает задача преобразования электрического сигнала. Для этой цели служат магнитные модуляторы.

В качестве исполнительных элементов наибольшее распространение получили электромагниты и электродвигатели. Последние изучаются в курсе «Электрические машины».

Для различных переключений в системах автоматики широко применяют коммутационные электромеханические элементы.

§ 1.2. Физические основы работы электромеханических и магнитных элементов

Работа электромеханических и магнитных элементов, измерительных схем, применяемых в автоматике, основана на электрических и магнитных явлениях. Все эти элементы включаются в электрическую цепь, поэтому для описания их работы, прежде всего, используются закон Ома и законы Кирхгофа.

Закон Ома. Ток в проводникеравен отношению напряжения U на участке проводника к электрическому сопротивлениюэтого участка:

Первый закон Кирхгофа. В узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю:

    

Второй закон Кирхгофа. В контуре электрической цепи алгебраическая сумма электродвижущих сил Е равна алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлениях, входящих в этот контур:  

Элементы и измерительные схемы в автоматике могут быть использованы в цепях постоянного и переменного тока. Законы Ома и Кирхгофа справедливы для электрических цепей переменного тока. Однако при этом используется символический метод с записью величин, входящих в уравнения, в комплексной форме. Полное сопротивление участка цепи в комплексной форме

—активное   сопротивление;—индуктивное   сопротивление; Хс — емкостное сопротивление.

Индуктивное сопротивление пропорционально индуктивности L и частоте переменного тока Емкостное сопротивление обратно пропорционально емкости С и частоте переменного тока Многиеэлементы автоматики основаны на изменении активного, индуктивного или емкостного сопротивлений. Так, для автоматического измерения температуры используется эффект увеличения активного сопротивления металлического проводника с ростом температуры и уменьшения активного сопротивления полупроводниковых материалов. В индуктивных датчиках, магнитных усилителях и некоторых других элементах используется зависимость индуктивности от насыщения магнитопровода или от взаимного перемещения элементов магнитопровода, в емкостных датчиках — зависимость емкости конденсатора от расстояния между его пластинами или площади пластин.

В ряде элементов автоматики используются электромеханические явления, связанные с взаимными преобразованиями электрической и механической энергии. В основе этих явлений лежат следующие физические законы.

Закон электромагнитной индукции. В замкнутом контуре при изменении сцепленного с ним магнитного потока Ф индуцируется ЭДС е, равная скорости изменения потокосцепления, взятой с обратным знаком:   

Для катушки с числом витков ЭДС е будет в  раз больше.

Закон Ампера. На проводник длинойс током I, помещенный в магнитное поле с индукцией В, действует электромагнитная сила Если прямолинейный проводник образует с направлением магнитного поля угол а, то в эту формулу вводится сомножитель

При перемещении такого проводника длинойсо скоростью v в поле с индукцией В значение ЭДС может быть определено на основании закона электромагнитной индукции: E=Blv. Если проводник движется под углом а к направлению магнитного поля, то в формулу вводится сомножитель

Магнитная индукция В создается под действием напряженности магнитного поля Я. Эти величины связаны между собой зависимостью   где —абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая магнитные свойства среды. Для магнитных материалов величина очень велика, что позволяет получить большие значения индукции В при сравнительно малых напряженностях H.

В свою очередь, величина H определяется током, возбуждающим магнитное поле. Свойство тока возбуждать магнитное поле именуется магнитодвижущей силой (МДС). Зависимость напряженности H от токаопределяется законом полного тока. Применительно к сердечнику из магнитного материала с катушкой закон полного тока может быть записан в таком виде:  где —число витков катушки;—длина пути магнитного потока по сердечнику. Произведение называют магнитодвижущей или намагничивающей силой, а иногда числом ампер-витков.

При расчетах магнитных цепей используется аналогия между записью уравнений для тока в электрической цепи и для магнитного потока в магнитной цепи. Ток в электрической цепи можно определить как отношение ЭДС к электрическому сопротивлению, магнитный поток Ф в магнитной цепи — как отношение МДС к магнитному сопротивлению, называемое законом Ома для магнитной цепи. Соответственно можно говорить и о законах Кирхгофа для магнитных цепей. При этом вместо тока подставляют магнитный поток Ф, вместо ЭДС Е — МДС Iw, вместо электрического сопротивления R — магнитное сопротивление, пропорциональное длине пути магнитного потока и обратно пропорциональное абсолютной магнитной проницаемости и сечению пути магнитного потока s. Связь между магнитным потоком Ф и магнитной индукцией В определяется соотношением

Приведенные физические законы являются основными. Наряду с ними в отдельных элементах автоматики используются и другие физические закономерности и явления. В магнитных усилителях это явление одновременного намагничивания сердечника постоянным и переменным магнитными полями. В термоэлектрических датчиках — эффект образования термоЭДС в цепи, состоящей из разных металлов (или полупроводников), при разной температуре мест соединения. В фотоэлектрических датчиках — эффект зависимости фотоЭДС между двумя контактирующими полупроводниками от интенсивности освещения, а также вылет электронов из освещенных тел, называемый внешним фотоэффектом. В магнитоупругих датчиках используется зависимость магнитных свойств ферромагнитов от механических напряжений, а в пьезоэлектрических датчиках — эффект появления ЭДС на гранях некоторых кристаллов при их сжатии.

§ 1.3. Статические характеристики

Наибольший интерес представляет зависимость выходной величины элемента автоматики от его входной величины. При соединении элементов в систему автоматики выходная величина одного элемента подается на вход последующего элемента. Поэтому можно говорить о передаче сигнала в системе. Входную величину обычно называют входным, сигналом (будем обозначать его через х), а выходную величину — выходным сигналом (будем обозначать его через у). Режим работы, при котором входной и выходной сигналы постоянны , называют статическим или установившимся режимом. Характеристики, определяемые в этом режиме, называются статическими.

Следует отметить, что для многих электромеханических и магнитных устройств автоматики сигналом является напряжение или сила переменного тока. В статическом режиме постоянным является действующее значение напряжения или тока, хотя мгновенное значение при этом, естественно, изменяется по синусоидальному закону.

Основной характеристикой всех элементов автоматики является статический коэффициент преобразования Коэф-

У\

Рис. 1.2. Статические характеристики элементов автоматики

фициент преобразования может быть определен экспериментально. Для этого устанавливают определенное значение входного сигнала и измеряют соответствующий ему выходной сигнал Таких опытов можно провести несколько — для различных значений По результатам нескольких опытов может быть построена статическая характеристика y=f(x), представляющая функциональную зависимость выходной величины от входной в статическом режиме. Статические характеристики бывают линейными и нелинейными (рис. 1.2). Если коэффициент преобразования не зависит от входного сигнала, то статическая характеристика имеет вид прямой линии (рис. 1.2, а), а элемент, имеющий такую характеристику, называют линейным. Коэффициент преобразования нелинейных элементов не постоянен, а статическая характеристика может иметь вид, показанный на рис. 1.2, б. Такая характеристика чаще всего бывает у усилительных элементов. Сначала при увеличении входного сигнала пропорционально ему растет выходной сигнал, а затем рост его прекращается. В магнитных усилителях это связано, например, с явлением насыщения магнитной цепи. Поэтому про характеристику типа (рис. 1.2, б) говорят, что она имеет зону насыщения. Особенно явно нелинейность выражена для элементов типа реле. При увеличении входного сигнала реле от нуля до некоторого значения, называемого сигналом срабатывания    выходной сигнал равен нулю. При выходной сигнал изменяется скачком и при дальнейшем увеличении входного сигнала остается постоянным (рис. 1.2, в).

Для датчиков чаще всего необходима линейная статическая характеристика, это требуется для точной работы системы.

Коэффициент преобразования имеет размерность, определяемую отношением размерностей выходной величины к входной. Например, датчик, преобразующий перемещение в напряжение, имеет размерность коэффициента преобразования В/м. Если размерности выходного и входного сигнала одинаковы (например, у усилителей), то коэффициент преобразования будет безразмерной величиной. В этом случае его часто называют коэффициентом усиления.

Выходной сигнал некоторых элементов равен нулю при малых значениях входного сигнала, т. е. эти элементы нечувствительны к слабым сигналам. Статическая характеристика элементов показана на рис. 1.2, г. Только при начинается изменение выходного сигнала у. В этом случае значение х=а называют порогом чувствительности. Диапазон изменения входного сигнала, при котором выходной сигнал равен нулю, называется зоной нечувствительности. Для элемента, характеристика которого показана на рис. 1.2, г, зона нечувствительности равна 2а.

Точность работы датчика характеризуется погрешностью. Различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности. При определении погрешности сравнивают реальную статическую характеристику датчика с идеальной линейной статической характеристикой. Реальная статическая характеристика отличается от идеальной, поскольку выходной сигнал может изменяться за счет внутренних свойств элемента (износ, старение и т. д.) или за счет изменения внешних факторов (напряжение питания, температура и т. д.). Абсолютная погрешность представляет собой разность между реальным и расчетным (идеальным) выходными сигналами при одном и том же значении входного сигнала х. Абсолютная погрешность имеет размерность выходной величины, ее называют еще ошибкой:

Относительная погрешность представляет собой отношение абсолютной погрешности к расчетному значению выходной величину и определяется в относительных единицах или в процентах

Приведенную погрешность определяют как отношение абсолютной погрешности к диапазону возможных значений выходного сигнала. Приведенную погрешность вычисляют в относительных единицах или в процентах. О точности датчика судят "обычно по максимальной приведенной погрешности.

§ 1.4. Динамические характеристики

Переход системы из одного установившегося режима в другой с иными значениями входного и выходного сигналов называют динамическим режимом или переходным процессом. В динамическом режиме отношение выходного сигнала к входному может быть не равно коэффициенту преобразования. Поведение элемента или системы автоматики в переходном процессе может быть описано с помощью переходных характеристик. Переходной характеристикой называют зависимость выходного сигнала от времени y(t) при скачкообразном изменении входного сигнала. На рис. 1.3 показаны график изменения входного сигнала и соответствующие ему графики переходных характеристик наиболее распространенных элементов автоматики.

Рис.  1.3.  Переходные характеристики элементов  автоматики

В момент времени  входной сигнал скачком изменяется от нуля до (рис. 1.3, а). Если элемент автоматики является безинерционным, то в тот же момент времени выходной сигнал скачком изменяется от нуля до (рис. 1.3, б). Как правило, электромеханические элементы обладают инерционностью, которая тем больше, чем больше масса подвижных частей или индуктивность обмотки. В этом случае изменение выходного сигнала запаздывает по сравнению с изменением входного (рис. 1.3,в). Переходная характеристика имеет вид экспоненты, т. е. кривой, стремящейся от нуля к значениюсо скоростью, пропорциональной в каждый момент времени разности междуи текущим значением выходного сигнала. Инерционность переходного процесса характеризуется значением постоянной времени Т, выражаемой в секундах. На графике величину Т можно определить, проведя касательную к кривой y(t) при t=to и продолжив ее до пересечения с горизонтальной линией  За время, равное Т, выходной сигнал достигает 63% своего нового установившегося значения.

Уравнение переходной характеристики имеет следующий вид:

где—основание натурального логарифма.

Обычно на практике считают, что за время выходной   сигнал   достигает   нового   установившегося   значения На   самом   деле   за   это   время   выходной   сигнал   достигает значений   соответственно  Разницу   между  значениями выходного сигнала в динамическом и установившемся режимах называют динамической погрешностью. Для ее уменьшения стремятся снизить постоянную времени, например, делая более легкими подвижные части элементов автоматики.

Во время переходного процесса могут возникнуть и колебания выходного сигнала. В электрических цепях это обычно связано с процессом обмена энергией между элементами колебательного контура: индуктивностью и емкостью. В механических узлах элементов автоматики колебания возникают обычно в тех случаях, когда одновременно действуют и силы инерции, и силы упругости (например, в пружинах). График колебательного затухающего переходного процесса показан на рис. 1.3, г. Как видно из этого графика, изменение выходного сигнала происходит относительно значения . Амплитуда этих колебаний постепенно уменьшается, затухает. Для количественной оценки этого процесса вводят понятие коэффициента затуханиякоторый определяют по формулегде  и А3 — соседние амплитуды колебаний выходного сигнала в одну сторону (т. е. одного знака).

При незатухающем колебательном процессе и коэффициент затухания Система  автоматики является при этом неустойчивой. Если же коэффициент затухания стремится к единице, то переходный процесс будет апериодическим (рис. 1.3, в).

§ 1.5. Обратная связь в системах автоматики

В системах автоматики различают последовательное и параллельное соединения элементов, а также соединение с обратной связью. При последовательном соединении выходной сигнал одного элемента является входным сигналом для последующего элемента. При параллельном соединении один и тот же сигнал является входным для двух элементов, а их выходные сигналы суммируются.

Общий коэффициент преобразования двух последовательно соединенных элементов цепи равен произведению коэффициентов преобразования этих элементов: Общий коэффициент преобразования двух параллельно соединенных элементов равен сумме коэффициентов преобразования  каждого из этих элементов.

При соединении с обратной связью выходной сигнал одного элемента подается на его вход через элемент обратной связи. На рис. 1.4 показано соединение с обратной связью. Кружком, разделенным на четыре сектора, показано устройство, в котором происходит суммирование сигналов. Если сектор зачернен, то поступающий сигнал берется со знаком минус. В зависимости от знака сигнала обратной связи различают положительную и отрицательную обратную связь. На рис. 1.4, а показано соединение с положительной обратной связью, на рис. 1.4, б — с отрицательной обратной связью. Элемент 1 включен в прямую цепь, элемент 2 — в обратную. Можно сказать, что элемент 1 охвачен обратной связью. Коэффициент преобразования при соединении с обратной связью. На вход элемента 1 поступает входной сигнал где знак плюс соответствует положительной обратной связи,

Рис. 1.4. Соединение элементов с обратной связью

а знак минус — отрицательной. Выходной сигнал элемента 1 равен произведению его входного сигнала на коэффициент преобразования:

Этот сигнал поступает на вход элемента 2, включенного в цепь обратной связи. Следовательно, выходной сигнал элемента 2 можно получить умножив сигнална коэффициент преобразования элемента 2: Подставив значение в выражение для т. е. и преобразовав его, получим

или

Общий коэффициент преобразования по определению равен отношению выходного сигнала ко входному. В данном случае выходным является сигнал   у1    а    входным— Их   отношение Теперь в этом выражении знак минус соответствует положительной обратной связи, а знак плюс — отрицательной.

Проанализируем выражение для коэффициента преобразования при положительной обратной связи

Пусть  в  цепь  включен   усилитель   с   коэффициентом   усиления   10,  т.   е.  Малую часть его выходного сигнала   (например, 5%)  снова подадим на вход, включив для этого в цепь обратной связи элемент с коэффициентом преобразования

Таким образом, благодаря положительной обратной связи получен более высокий коэффициент усиления. Положительная обратная связь чаще всего используется в усилительных элементах автоматики.

С помощью положительной обратной связи может быть получена и релейная характеристика. Использование положительной обратной связи в магнитных усилителях и бесконтактных магнитных реле рассмотрено в гл. 23 и 26.

На принципе отрицательной обратной связи основана работа систем автоматического регулирования (САР). Покажем это на примере элемента сравнения ЭС, в котором происходит вычитание выходного сигнала y(t) из входного сигнала g(t) (см. рис. 1.1, в). Именно благодаря отрицательной обратной связи и обеспечивается автоматическое поддержание регулируемой величины на заданном уровне. Ведь благодаря отрицательной обратной связи постоянно определяется отклонение y(t) от g(t) и вырабатывается соответствующее этому отклонению регулирующее воздействие. В САР в цепь обратной связи включен датчик. Усилительные и исполнительные элементы автоматики включены в прямую цепь. Пусть коэффициенты преобразования всех элементов, включенных в прямую цепь, можно учесть, введя общий коэффициент преобразования а датчик имеет коэффициент преобразования Тогда в установившемся режиме общий коэффициент преобразования САР

При достаточно большом усилении можно принять и

Как видим, коэффициент преобразования САР полностью определяется коэффициентом преобразования датчика. Следовательно, именно от точности датчика зависит точность всей работы САР. Поэтому датчикам в системах автоматики, а также их метрологическим характеристикам, надежности придается особое значение. Наличие же обратной связи имеет важнейшее значение не только в автоматике, но и в биологических, экономических и социальных системах. 

Глава 2

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И  ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

§ 2.1. Электрические измерения неэлектрических величин

В системах автоматики сигналы управления зависят от различных неэлектрических и электрических величии, характеризующих данный производственный процесс. Информация об этих величинах должна быть получена от датчика и сформирована в виде некоторого сигнала. Наиболее удобно использовать электрический сигнал. По сравнению с другими сигналами (например, механическими, пневматическими, световыми, звуковыми) электрический сигнал обладает целым комплексом преимуществ: возможностью передачи на большие расстояния, простотой преобразования и усиления, возможностью ввода в ЭВМ. Поэтому электрические методы измерения неэлектрических величин получили широкое распространение. Они должны обеспечивать высокую точность преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал и быстро реагировать на ее изменение.

Информация о контролируемой неэлектрической величине получается с помощью датчика. Следует отметить, что многие неэлектрические величины удобно предварительно преобразовывать в механическое перемещение, а затем уже с помощью датчика перемещения получить электрический сигнал. Например, в перемещение преобразуются такие неэлектрические величины, как давление (с помощью упругой мембраны), температура (с помощью биметаллической пластины), уровень жидкости (с помощью поплавка), усилие (с помощью пружины). Практически большинство неэлектрических величин сравнительно несложно преобразовать в перемещение. Поэтому в автоматике широкое распространение получили датчики перемещения. Если можно сразу превратить неэлектрическую величину в электрический сигнал, то используются датчики непосредственного преобразования (например, термосопротивления и термопары).

Итак, от датчика получен электрический сигнал, несущий информацию о неэлектрической величине. Этот сигнал представляет собой изменение активного сопротивления, или индуктивности, или напряжения, или тока, или какого-либо другого электрического параметра. Чтобы измерить этот параметр, нужен соответствующий электроизмерительный прибор. А для согласования сигнала датчика с электроизмерительным прибором необходима измерительная схема. Таким образом, схема электрического измерения неэлектрической величины может быть представлена на рис. 2.1. Каждый элемент схемы обладает чувствительностью S и сопротивлением Z. Все они могут питаться от источника электроэнергии (на рис. 2.1 источник питания не показан). Датчик преобразует входную неэлектрическую величину х в электрический параметр у (сопротивление, напряжение или др.). Чувствительность датчика Измерительная схема преобразует изменение одного электрического параметра у в другой электрический параметр  г.  Чувствительность  измерительной  схемы  Электроизмерительный прибор дает показания а (например, в ви-

Рис. 2.1. Структурная схема электрического измерения неэлектрической величины

де отклонения стрелки на шкале), пропорциональные параметру г. Чувствительность прибора Чувствительность, обеспечиваемая при электрическом методе измерения неэлектрической величины х,

Чувствительность прибора будем полагать величиной заданной и неизменной. А вот чувствительность измерительной схемы можно существенно изменять выбором как самой схемы, так и ее элементов. Различают два режима работы измерительной схемы.

1. Внутреннее сопротивление прибора значительно больше выходного сопротивления измерительной схемы
В этом случае показания прибора зависят от напряжения на выходе схемы и поэтому для такого режима определяют чувствительность по напряжению (полагая
):

     (2.1)

2. Внутреннее сопротивление прибора соизмеримо с выходным
сопротивлением измерительной схемы. Прибор реагирует на изменение силы тока
Для такого режима определяют чувствительность по току:

               (2.2)

Очень часто в качестве измерительного прибора используется миллиамперметр. В дальнейшем будем рассматривать именно чувствительность по току.

Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса: непосредственной оценки и сравнения. При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется сравнительно редко, так как ему свойственны значительные погрешности (особенно при изменении напряжения питания датчика). Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения.

§2.2. Мостовая измерительная схема постоянного тока

Принципиальная схема одинарного моста (рис. 2.2) состоит из четырех резисторов с активными сопротивлениями

, и , которые соединены в замкнутый  четырехугольник АБВГ.  Входящие в схему резисторы называют плечами

или ветвями моста. Плечи можно обозначать и буквами, например плечо АБ. В четырехугольнике АБВГ можно выделить две диагонали: АВ и БГ. В диагональ БГ моста включен измерительный прибор, имеющий активное сопротивление В диагональ

АБ включен источник питания с ЭДС Е и внутренним сопротивлением Re-

Можно подобрать сопротивления плеч моста так, чтобы потенциалы точек Б и Г, между которыми включен измерительный прибор, были одинаковы. В этом случае ток в цепи прибора отсутствует   ().

Рис.   2.2.   Мостовая   измерительная схема

Процесс подбора таких сопротивлении, обеспечивающих, называется уравновешиванием или балансировкой моста. Условие равновесия моста может быть получено на основании законов Кирхгофа, записанных для токов в плечах моста с учетом принятых на рис. 2.2 направлений токов;

  

      

откуда

Поделив (2.3) на (2.4), получим

     (2.5)

Так как в уравновешенном мосте ток в цепи прибора , то и равенство (2.5) имеет вид

или

             (2.6)

т. е. условие равновесия моста можно сформулировать так: произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.

С помощью мостовой схемы можно измерить неизвестное сопротивление включив его в одно из плеч моста, например в плечо ВГ вместо резистора. При трех известных сопротивлениях , , неизвестное сопротивление . Уравновешивание моста может быть достигнуто изменением либо одного сопротивления (), либо отношения двух сопротивлений В уравновешенных мостах измерительный прибор должен быть очень чувствительным, он должен реагировать на малые токи. Именно по показаниям этого прибора и фиксируется равновесие моста. Поэтому в уравновешенных мостах в качестве измерительного прибора используется обычно гальванометр.

Кроме уравновешенных существуют так называемые неуравновешенные (или небалансные) мосты, в которых и измеряемое сопротивление Rx определяется именно по отклонению стрелки прибора, т. е. по величине , поскольку

В качестве измерительного прибора в неуравновешенных мостах используются амперметры (так как токи невелики, то обычно милли- или микроамперметры). Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты не требуют регулировки при каждом измерении. Поэтому неуравновешенные мосты проще, их чаще используют для электрических измерений неэлектрических величин.

На основании законов Кирхгофа могут быть получены выражения для тока в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания 0:

    (2.7)

через ток питания I:

    (2.8)

где

   (2.9)

  (2.10)

Кстати, из (2.7) или (2.8), приравнивая нулю, можно вывести уже полученное нами условие равновесия моста (2.6).

Сложное  соединение  сопротивлений , в  мостовой схеме можно преобразовать в эквивалентное сопротивление— входное сопротивление моста по диагонали питания АВ. Эквивалентная схема моста показана на рис. 2.3. В зависимости от соотношенияиразличают низкоомные и высокоомные мостовые измерительные схемы.

Если, то мост называется низкоомным. В таких мостах изменение cопротивления плеч почти не влияет на ток питания, т. е. можно считать, чтоconst. При расчете низкоомных мостов обычно используют уравнение (2.8).

Рис 2.3 Эквивалентная схема моста

Если, то мост называется высокоомным. В этом случае постоянной величиной можно считать напряжение на зажимах  моста . При расчете высокоомных мостов  обычно используют уравнение (2.7).

Разделив (2.7) на (2.8), получим выражение для входного сопротивления моста

     (2.11)

§ 2.3. Чувствительность мостовой схемы

Чувствительность уравновешенного моста определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста (например,на рис. 2.2): . В уравновешенном мосте После изменения на ток прибора определяется по (2.7) или (2.8):

Преобразуем числитель этого выражения, учитывая условие равновесия

Следовательно, , и чувствительность уравновешенного моста по току

     (2.12)

В некоторых случаях (например, в мостах с автоматическим уравновешиванием) входным сигналом мостовой схемы служит напряжение в измерительной диагонали БГ. Тогда следует определять чувствительность по напряжению: Оценим влияние сопротивлений плеч моста на чувствительность мостовой уравновешенной схемы. Для этого удобно выразить сопротивления всех плеч моста относительно измеряемого сопротивления R4.

Положим; ; . Так как в уравновешенном мосту , то . Подставим значения сопротивлении в  (2.12).

1. Для высокоомного моста (полагая)

Анализ уравнения (2.15) показывает, что чувствительность возрастает с увеличением напряжения питания и уменьшением сопротивлений плеч моста. Эти выводы достаточно очевидны. При этом следует иметь в виду, что с уменьшением сопротивлений мост уже не будет высокоомным и к нему неприменимо уравнение (2.15). Менее очевидно, но представляет большой интерес влияние коэффициентов я, т, q. Рассмотрим функцию (2.16). При уменьшении я чувствительность схемы увеличивается. При неизменных коэффициентах п к q чувствительность моста максимальна при

Уравнение (2.17) можно получить продифференцировав по т и приравняв нулю.

На  рис.  2.4,  а показаны  номограммы  для  случая,  с  помощью которых можно определить т и я, т. е. сопротивления мостовой схемы. По виду кривых можно судить о том, что при известном и достаточно большом диапазоне изменения значений и чувствительность мостовой схемы изменяется незначительно.

 Чувствительность низкоомного моста (при)

Рис. 2.4. Номограммы к расчету чувствительности мостовой схемы

Анализ уравнения (2.19) показывает, что при увеличении т. чувствительность схемы возрастает. При неизменных значениях и чувствительность моста максимальна при

       (2.20)

Уравнение   (2.20)   можно  получить  продифференцировав по я

и приравняв нулю. Номограммы для случая показаны на рис. 2.4, б.

Рассмотрим теперь чувствительность неуравновешенного моста. Датчики с изменяющимся сопротивлением можно включить в разные плечи моста. Рассмотрим различные варианты подключения датчиков (рис. 2.5).

1. Чаще всего используется простая (рис. 2.5, а) схема равноплечего ()  моста с одним датчиком где сопротивление датчика, соответствующее начальному значению измеряемой неэлектрической величины.

Воспользуемся уравнением (2.8) для определения изменения тока через из
мерительный прибор:

Для малых приращенийможно    пренебречь    в знаменателе    слагаемыми ипо сравнению с другими слагаемыми

Чувствительность схемы

     (2.21)

Примем чувствительность моста с одним датчиком за исходную и выразим чувствительность всех других вариантов мостовых схем через

2. На схеме рис. 2.5, б одинаковые датчики с изменяющимся сопротивлениемвключены в противоположные плечи моста. В этом случае приращение тока в измерительном приборе

т. е. чувствительностьувеличивается вдвое. Такое же увеличение чувствительности получается в схеме рис. 2.5, в, где второй датчик включен не в противоположное, а в соседнее плечо и его сопротивление не увеличивается, а уменьшается: В схемах по рис. 2.5, а—в чувствительность непостоянна, т. е. зависимостьнелинейна.

3. Если датчики с изменяющимися сопротивлениями включить в соседние
плечи моста по схеме рис. 2.5,
г (—в плечо , а—в плечо ), то чувствительность его по-прежнему в два раза  больше ,  а зависимость близка  к линейной    в довольно    широких  пределах.

Недостаток схемы в том, что если датчиками являются сопротивления с подвижным контактом, то питание к схеме подводится именно через этот подвижный контакт, что снижает надежность схемы.

  1.  При включении датчиков по схемам, показанным на рис. 2.5, д, е, изменение сопротивления одновременно в обоих плечах не приводит к изменению тока в измерительном приборе, т. е.Такое подключение датчиков является ошибочным.
  2.  Если включить четыре одинаковых датчика во все четыре плеча моста так. как показано на рис. 2.5, ж, то изменение тока в измерительном приборе

При этом обеспечивается максимальная чувствительность

§ 2.4. Мостовая схема переменного тока

В плечи мостовой схемы переменного тока (рис. 2.6) включены полные сопротивления, состоящие из активной и реактивной составляющих. Будем пользоваться комплексной формой записи полных сопротивленийВ диагональ АВ моста

включен источник переменного синусоидального напряжения, а в диагональ БГ — измерительный прибор переменного тока. Направления токов в плечах моста могут быть выбраны произвольно. Ток измерительной диагонали

,

где

Рис.   2.6.   Мостовая   измерительная    схема    на переменном токе

(2.22)

— комплексные выражения,    аналогичные    выражениям    в уравнениях (2.9) и (2.10) для моста постоянного тока.

Условия  равновесия  моста  переменного  тока  получим,  приравнивая (2.22) нулю:

где

Напомним,  что  при показательной  форме  записи  комплексной величины модульа аргумент

В   соответствии  с  условием   равновесия моста  подставим  в (2.25) значения полных сопротивлений

Представим левую и правую части в виде действительной и мнимой составляющих:

Две комплексные величины равны только в том случае, если равны порознь их действительные и мнимые части:

     (2.26) (2.27)

Таким образом, получаем два независимых условия равновесия, которые должны выполняться одновременно. Если в мостах постоянного тока имеется одно условие равновесия и уравновешивание достигается регулировкой одного сопротивления, то в мостах переменного тока для уравновешивания необходима регулировка не менее двух параметров схемы. Трудность уравновешивания моста переменного тока состоит в том, что в процессе обеспечения одного условия (например, равенства произведений модулей сопротивлений в противоположных плечах: ) нарушается другое соотношение — между фазовыми сдвигами:

Обычно такие мосты регулируются вручную методом последовательных приближений.

В некоторых частных случаях уравновешивание моста обеспечивается выполнением одного из трех условий.

  1.  Если , т. е. плечи моста имеют только реактивные сопротивления, то условие равновесия
  2.  Если , т. е. плечи моста имеют только активные сопротивления, условие равновесия
  3.  Если два соседних плеча имеют только реактивные сопротивления, а два других — только активные (любая пара соседних плеч), например , то условие равновесия:

Следует иметь в виду, что катушки индуктивности всегда кроме индуктивного сопротивления имеют активное сопротивление, которое в некоторых случаях настолько мало, что им можно пренебречь.

Расчет чувствительности моста переменного тока можно провести в соответствии с (2.12), учитывая, что вместо следует подставить комплексное сопротивление. Чувствительность моста по току

       (2.28)

чувствительность по напряжению

    (2.29)

Уравновешивание моста переменного тока может осуществляться автоматически при соотношениях сопротивлений плеч, рассмотренных для частных случаев 1—3.

Автоматическое уравновешивание мостов переменного и постоянного   тока   выполняется   по

схеме, показанной на рис. 2.7. Напряжение разбаланса снимается с измерительной диагонали моста и подается на исполнительный микроэлектродвигатель (ЭД) через усилитель (У). Двигатель через редуктор (Р) перемещает движок переменного резистора R до тех пор, пока не будет обеспечено условие равновесия и напряжение разбаланса не станет равным нулю. Одновременно будет перемещаться и стрелка по шкале, которая может быть проградуирована в единицах сопротивления датчика или в соответствующих этому сопротивлению единицах измеряемой неэлектрической величины.

§ 2.5. Дифференциальные измерительные схемы

Дифференциальная схема состоит из двух смежных контуров с источником питания, а измерительный прибор включен в общую ветвь контуров и реагирует на,разность контурных токов. В дифференциальной схеме могут быть использованы как параметрические датчики (с изменяющимися сопротивлениями), так и генераторные (с изменяющейся ЭДС). Дифференциальные схемы включения параметрических датчиков показаны на рис. 2.8 (а — датчик включен в один контур; б — датчик включен в оба контура). ЭДС, питающие оба контура, одинаковы. Дифференциальная схема включения генераторного датчика показана на рис. 2.9. В этой схеме датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор (подробно рассмотрен в § 6.4). При изменении магнитной связи между обмотками трансформатора ЭДС левого контура, например, возрастает, а правого — уменьшается. Изменение магнитной связи обусловлено контролируемой неэлектрической величиной. Например, оно может быть вызвано перемещением ферромагнитного сердечника в дифференциальном трансформаторе.

Проведем сравнение дифференциальной и мостовой измерительных схем по чувствительности. В обеих схемах (рис. 2.10, а, 6) будем использовать одинаковые датчики с изменяющимся активным сопротивлением и одинаковое питание — от вторичной обмотки трансформатора с ЭДС, равной(при дифференциальной схеме имеется вывод от средней точки).

Для расчета токов в дифференциальной схеме используем метод наложения: сначала определим токи от одной ЭДС, затем — от другой (рис. 2.11).

Ток через прибор для расчетной схемы (рис. 2.11, а)

Ток через прибор для расчетной схемы (рис. 2.11, б)

Результирующий ток через прибор

Определение чувствительности дифференциальной схемы в общем виде приводит к довольно сложному уравнению, поэтому рассмотрим числовой пример. Пусть E=10 В; R= 10 Ом; =0,1 Ом;     Rпр=0,5 Ом. Тогда

 

     Таким образом, при одинаковых напряжениях питания, сопротивлениях датчика и измерительного прибора, приращениях сопротивления датчика дифференциальная схема дает большее приращение тока в измерительной цепи. Следовательно, дифференциальная измерительная схема имеет большую чувствительность, чем мостовая схема.

Ток в измерительной цепи мостовых и дифференциальных схем зависит от напряжения питания. Колебания напряжения питания . приводят к появлению погрешности, так как ток через прибор и отклонение его стрелки изменяются даже при неизменном сопротивлении датчика.

Для уменьшения влияния напряжения питания на показания прибора используют так называемые логометрические схемы измерения. Логометром называется магнитоэлектрический прибор, противодействующий момент в котором создается не механически (пружиной), а электрически. На рис. 2.12 приведена принципиальная схема логометра для измерения сопротивления датчика Яд, В магнитном поле постоянного магнита с полюсными наконечниками NS помещен стальной цилиндрический сердечник. В зазоре между сердечником и полюсными наконечниками помещены две обмотки wi и а>2, выполненные в виде рамок. При прохождении тока по рамке создается вращающий момент и рамка поворачивается. Зазор сделан неравномерным, чтобы вращающий момент изменялся в зависимости от угла поворота. Обмотки o»i и а>2 намотаны так, чтобы моменты рамок были направлены навстречу друг другу. Рамки жестко соединены между собой под определенным углом. Вместе они могут поворачиваться одновременно с закрепленной на рамках стрелкой прибора. Токи к рамкам подводятся с помощью спиральных пружин, которые создают малый противодействующий момент, возвращающий рамки и стрелку в исходное положение, когда тока в приборе нет.

Датчиквключен последовательно с обмоткой, постоянный резистор R — последовательно с обмоткой. Если сопротивленияи R равны, то токи в рамках также равны ()   и   подвижная система (обе рамки со стрелкой) займет положение,  симметричное   относительно оси полюсов NS. Если же сопротивление датчика изменится (например, увеличится), то ток /i уменьшится и уменьшится момент , создаваемый этим током в рамке i0j. Так как токи соответствующий ему моментостался неизменным, то результирующий момент повернет подвижную систему на некоторый угол. При этом рамкас большим током входит в расширяющийся зазор с меньшей индукцией, а рамка wi с меньшим током, наоборот, входит в сужающийся зазор с большей индукцией. Моментбудет уменьшаться, а—увеличиваться. При определенном угле поворота моменты сравниваются и подвижная система займет новое равновесное положение. Если же изменится напряжение питания цепи U, то в рамках иизменятся токи, притом одновременно и в одинаковой степени (так как рамки подключены к источнику питания параллельно). Соотношение токов и моментов останется неизменным и положение подвижной системы не изменится. Как видно, на положение стрелки влияют не сами токи, а их отношение, которое определяется сопротивлением датчика и не зависит от напряжения питания.

§ 2.6. Компенсационные измерительные схемы

Компенсационные схемы используют для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение. Сигнал датчика сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемым потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически.

Приборы с автоматической компенсацией называют также автоматическими потенциометрами.

Рассмотрим простейшую компенсационную схему (рис. 2.13) с ручным уравновешиванием. Измеряемая ЭДСили напряжениеуравновешиваются равным и противоположным по знаку напряжением, снимаемым с переменного проволочного резистора. Этот резистор имеет два неподвижных вывода и один подвижный, выполненный в виде щетки, скользящей по проволоке. Все сопротивление резистора R включено в цепь источника питания с ЭДС Е. Переменное сопротивление RK пропорционально перемещению х движка  (щетки): , где L — общая длина проволочной намотки между неподвижными выводами. Соответственно и компенсирующее напряжение UK будет пропорционально перемещению движка х , где / — ток, проходящий через резистор R под действием ЭДС Е.

Движок необходимо перемещать до тех пор, пока компенсирующее напряжениене сравняется с измеряемым напряжением =, Для определения положения точной компенсации используется чувствительный прибор (гальванометр или микроамперметр). Ток через прибор

где—сопротивление датчика;—сопротивление прибора.

Если компенсация произошла, то ток через прибор равен нулю: Значит, прибор в данном случае нужен не для измерения тока, а для определения его нулевого значения. Поэтому такой прибор называют нуль-индикатором (НИ). О значении измеряемого напряжения можно судить по перемещению движка, т. е. движок можно соединить со стрелкой, а вдоль резистора R расположить шкалу, проградуировав ее в единицах напряжения или сразу в единицах той неэлектрической величины, которая преобразуется датчиком в ЭДСили в напряжение

Отметим также, что при компенсационном методе измерения Действительно,, но в момент компенсации

Точность измерения при компенсационном методе зависит от стабильности поддержания тока / в цепи питания резистора R. Ведь именно от силы этого тока зависит значение компенсирующего напряжения Если ЭДС источника питания Е уменьшилась (из-за разряда аккумулятора или батарейки), то уменьшится и ток L Для компенсации придется на большее расстояние х переместить движок резистора, и стрелка укажет на иное, ошибочное значение измеряемой величины. Для поддержания стабильного тока питания / можно использовать регулировочный резистор и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения, как в автоматическом потенциометре (рис. 2.14).

Чувствительность  компенсационной схемы можно определить как отношение приращения тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения:

      (2.31)

Если достигнуто состояние компенсации, то измеряемое напряжение уравновешено компенсирующим напряжением и ток через прибор равен нулю.Пусть измеряемое напряжение изменилось на а компенсирующее напряжение не изменилось (движок резистора R неподвижен). В этом случае разность между измеряемым и компенсирующим напряжениями равна . Под действием этого напряжения через прибор пройдет ток

(2.32)

где—внутреннее сопротивление электрической цепи питания, замеренное на зажимах   аб   при   отключенном   датчике; — сопротивление прибора (нуль-индикатора);      —сопротивление датчика.

Сопротивлениеможно представить как параллельное соединение части сопротивления компенсирующего резистора

с сопротивлением, состоящим из оставшейся части компенсирующего резистора и   регулировочного   резистора

Подставив (2.32) и (2.33) в (2.31), получим выражение для чувствительности компенсационной схемы:

Анализ формулы (2.34) показывает, что чувствительность схемы зависит от, а так както чувствительность зависит от положения движка х. Чувствительность непостоянна в разных точках шкалы. На рис. 2.15 показана зависимость чувствительности от положения движка компенсирующего резистора. В  начальном положении движка чувствительность    максимальна: В среднем положении движка чувствительность минимальна, что необходимо учитывать при точных измерениях ЭДС.

Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного токов. Однако потенциометры переменного тока дают меньшую точность измерения и сложнее, поскольку необходимо компенсировать падение напряжения не только по абсолютной величине, но и по фазе. Это требует одновременного регулирования не менее двух параметров для обеспечения полной компенсации. На практике стремятся упростить мост переменного тока, выполняя одну пару плеч моста чисто активными, а другую пару — из однотипных элементов.


Раздел
II

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Глава 3

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ

§ 3.1. Типы электрических датчиков

Электрические датчики относятся к наиболее важным элементам систем автоматики. С помощью датчиков контролируемая или регулируемая величина преобразуется в сигнал, в зависимости от изменения которого и протекает весь процесс регулирования. Наибольшее распространение в автоматике получили датчики с электрическим выходным сигналом. Объясняется это прежде всего удобством передачи электрического сигнала на расстояние, его обработки и возможностью преобразования электрической энергии в механическую работу. Кроме электрических распространение получили механические, гидравлические и пневматические датчики.

В гл. 1 было отмечено, что входным сигналом датчиков могут быть самые различные физические величины: механическое перемещение, скорость, сила, температура, давление, расход, влажность и др. В зависимости от вида входного сигнала различают датчики перемещения, скорости, силы, температуры и др. Это электрические датчики неэлектрических величин. При автоматизации электросетей и электроустановок возникает необходимость в получении сигналов, соответствующих току, напряжению, мощности и другим электрическим величинам. Для этого используют датчики тока, напряжения, мощности и др. В них одна электрическая величина — входной сигнал — преобразуется в другую электрическую величину — выходной сигнал.

По характеру формирования электрического выходного сигнала электрические датчики делятся на параметрические (пассивные) и генераторные (активные). В параметрических датчиках изменение входного сигнала вызывает соответствующее изменение какого-либо параметра электрической цепи (активного сопротивления, индуктивности, емкости). Генераторные датчики являются источниками электрической энергии, зависящей от входного сигнала.

B данной книге принята классификация электрических датчиков в зависимости от принципа действия или метода, используемого при преобразовании входного сигнала в электрический выходной сигнал. В соответствии с этим    электрические    датчики подразделяют на контактные, потенциометрические, тензометрические, электромагнитные, пьезоэлектрические, емкостные, термоэлектрические,    струнные,    фотоэлектрические,     ультразвуковые и др. Надо отметить, что этот ряд непрерывно расширяется — все новые и новые физические явления используются для преобразования входных сигналов с развитием науки, техники, технологии, появлением новых материалов. I        По характеру изменения выходного сигнала различают датчики непрерывного (аналогового) и дискретного типа.

Независимо от значения и типа ко всем электрическим датчикам предъявляются определенные технические требования. Основными из них являются надежность, точность, чувствительность, быстродействие, минимальные габариты, масса.

Датчики различают также по диапазону изменения входного сигнала. Например,    одни электрические датчики    температуры предназначены для измерения температуры от 0 до 100°С, а другие— от 0 до  1600 °С. Очень важно, чтобы диапазон изменения выходного сигнала был при этом одинаков  (унифицирован)  для разных приборов. Унификация выходных сигналов датчиков позволяет использовать общие усилительные и исполнительные элементы для самых разных систем автоматики.    В нашей стране такая унификация проведена    путем создания    Государственной системы приборов и средств автоматизации  (ГСП). Унификация элементов и блоков ГСП ускоряет процесс проектирования и изготовления систем автоматики, повышает технологичность конструкций, упрощает комплектацию, монтаж и эксплуатацию автоматических систем. Иными словами, применение элементов и блоков ГСП для систем автоматики экономически выгодно.

§ 3.2. Контактные датчики с дискретным выходным сигналом

Контактные датчики относятся к параметрическим, поскольку их электрическое сопротивление изменяется в зависимости от входной механической величины. Так как сопротивление изменяется скачком   (в результате замыкания    или размыкания контактов), то контактные датчики имеют дискретный выходной сигнал. Статическая характеристика контактного датчика имеет релейный характер. Можно считать, что выходной сигнал несет информацию типа  «да—нет>  или  «больше—меньше».    Поэтому контактные датчики применяются в основном в системах автоматического контроля и сортировки размеров, а также в системах автоматической сигнализации различных    физических    величин, преобразуемых в перемещение.

Электрические контактные датчики, используемые для контроля размеров деталей, делят на предельные, определяющие, находится ли заданный размер в поле допуска, и амплитудные, измеряющие отклонения детали от заданной геометрической формы.

Рассмотрим работу предельного контактного   датчика    (рис. 3.1, а). На установочной плите / размещена деталь 2, точность выполнения вертикального размера которой необходимо контролировать. К Детали подводится измерительный щуп 3 и прижимается с помощью пружины 4. В зависимости от размера детали щуп перемещается в вертикальном    направлении,    поворачивая рычаг 5, несущий подвижный контакт 9. При   опускании    щупа замыкается неподвижный контакт 10, при поднятии — контакт 8. Замыкание происходит в том случае, когда размер детали имеет отклонение в большую или меньшую сторону сверх допустимого. Допустимые пределы отклонения могут быть установлены с помощью настроечных винтов 7 и //. Для обеспечения достаточного контактного нажатия служит пружина 6. Электрические зажимы для подключения подвижного контакта 9 и неподвижных контактов 8 и 10 в электрическую цепь на данной кинематической схеме не показаны.

Амплитудный датчик (рис. 3.1, б) отличается от предельного тем, что подвижный контакт 9 имеет осевое перемещение в направляющих рычага 5. При вращении детали 2 в призме / сначала происходит замыкание подвижного контакта 9 с неподвижным I контактом 8. Если щуп 3 продолжает подниматься, то рычаг перемещается  влево, проскальзывая  через  подвижный  контакт 9. Затем, когда максимальный размер будет пройден    (т. е. щуп начнет опускаться), рычаг переместится вправо, увлекая за собой ) без проскальзывания подвижный контакт. Если отклонение раз-;' мера  превышает допустимое, то  подвижный контакт  замкнется со вторым неподвижным контактом  10 и в электрическую цепь подается сигнал о том, что деталь бракованная. На предельное отклонение размера датчик  настраивают с  помощью винта  11, используя эталонную деталь.

Рычажная система электроконтактных датчиков играет важную роль. Надежное замыкание и особенно размыкание контактов при малом расстоянии Между ними невозможны. Рычажная система позволяет увеличить это расстояние за счет того, что отношение размеров (рис. 3.1). При замыкании контактов датчика происходит изменение сопротивления между подвижным и неподвижным контактами от бесконечности до ничтожно малой величины, определяемой значением контактного сопротивления.

Для уменьшения погрешности измерения рычаги выполняют не на шарнирах, имеющих зазоры между отверстием и осью, а на плоских пружинах. Недостатками рычажных систем являются необходимость в значительных усилиях для перемещения щупа (0,1—3 Н) и повышенная инерционность.

Датчик, показанный на рис. 3.1, является двухпредельным. При необходимости используют одно- и многопредельные датчики. На рис. 3.2 показаны многопредельные датчики. Контакты 13 замыкаются последовательно друг за другом при перемещении измерительного щупа 4, контролирующего соответственно размеры деталей. Подсоединение подвижного контакта во внешнюю цепь осуществляется с помощью пружинного подвода 5. Контактный датчик, приведенный на рис. 3.2, а, переключает несколько цепей сигнализации, а датчик на рис. 3.2, б выполняет последовательное замыкание частей резистора R, имеющего несколько отводов. В последнем случае происходит ступенчатое уменьшение активного сопротивления, включенного в общую внешнюю цепь.

Контактные многопредельные датчики используют в сортировочных автоматах, разделяющих детали по размерам с достаточно высокой точностью (несколько микрометров). Производительность сортировочных автоматов достигает нескольких сотен деталей в минуту. Это предъявляет высокие требования к надежности и точности контактных датчиков. Технические показатели датчиков в значительной степени зависят от материала и качества изготовления контактных пар. Нарушение контакта приводит к отказу датчика, а обгорание и износ контактов снижают точность контроля размеров. Поэтому очень важно создать благоприятные условия для работы контактов путем снижения разрывной мощности.

Нагрузкой контактных датчиков довольно часто являются сигнальные лампы. При использовании для сигнализации обычных ламп накаливания разрывная мощность довольно велика (несколько ватт). Для уменьшения искро- и дугообразования применяют искрогасительную цепочку, состоящую из последовательно соединенных конденсатора и разрядного активного сопротивления.

Такая цепочка подключается параллельно контактам датчика. Для повышения надежности контактных датчиков применяют неоновые лампочки, которые потребляют значительно меньшую (по сравнению с лампами накаливания) мощность: 80— 150 мВт (ток 1—1,5 мА при напряжении 80—100 В). Еще большего снижения разрывной мощности можно достичь подключая контакты в цепь управления электронных и полупроводниковых усилителей с большим входным сопротивлением.

Материалы для контактов выбираются в зависимости от контактного давления и условий работы датчика. Для высокочувствительных маломощных контактных датчиков давление на контактах изменяется от 0,001 до 0,02 Н. Контакты таких датчиков выполняют из драгоценных металлов (платина, золото и их сплавы), которые почти не окисляются в нормальных    атмосферных условиях. Однако их износоустойчивость и твердость    невелики. При контактных давлениях 0,05—1 Н применяют серебряные контакты. Для мощных контактных датчиков контактные усилия составляют  несколько  ньютон,  а  в  качестве  материала  контактов используют вольфрам, молибден и их сплавы, обладающие высокими твердостью и износоустойчивостью.

Вообще проблема контактов и их надежности очень важна для многих электрических элементов автоматики. Более подробно вопросы выбора материалов и конструкций контактов рассмотрены в гл. 16.

В качестве контактных датчиков могут быть использованы и рассматриваемые в гл. 15 путевые и конечные выключатели. По сравнению с описанными контактными датчиками они требуют существенно больших усилий для перемещения контактов и имеют менее высокую точность, но зато могут быть использованы в более мощных цепях.

Достоинствами контактных датчиков являются простота и дешевизна конструкции, простота регулировки чувствительности, высокая точность, возможность работы в цепях постоянного и переменного токов. К. недостаткам относятся трудность обеспечения высокой надежности из-за наличия электрической дуги и искрения, возможность ложных срабатываний при наличии вибраций и ударной нагрузки.

Глава 4

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 4.1. Назначение. Принцип действия

Потенциометрические датчики предназначены для пре образования механического перемещения в электрический сигнал.
Основной частью датчика является реостат, сопротивление которого изменяется при перемещении движка, скользящего по проволоке  (схема включения потенциометрического датчика   показана   на   рис.4.1,
а). Напряжение питания подается   на   всю   обмотку реостата через неподвижные выводы этой обмотки.  Выходное напряжение, пропорциональное  перемещению движка, снимается с одного из неподвижных выводов и с подвижного движка.  Такая  схема включения в электротехнике называется потенциометрической или схемой делителя напряжения.

Если сопротивление всей обмотки датчика обозначить через R, а сопротивление части этой обмотки, с которой снимается выходное напряжение, через, то потенциометрическая схема включения датчика может быть представлена как последовательное соединение резисторов с сопротивлением  (рис.4.1, б). Ток через обмотку датчика, а приложенное напряжение распределяется (делится) между последовательно соединенными резисторами: Если сопротивление обмотки равномерно распределить по длине I, а перемещение
движка обозначить через
х, то выходное напряжение датчика

      (4.1)

Таким образом, выходной сигнал датчика пропорционален перемещению движка.

В автоматических системах движок может быть механически связан с каким-либо устройством    (клапаном,   рулем, антенной, режущим инструментом и т. п.), положение которого надо измерить и передать в виде электрического сигнала. Усилие, под действием которого перемещается движок,    в этом случае   весьма велико. Поэтому для обеспечения надежного    контакта    между движком и обмоткой следует иметь   достаточно    большую силу прижатия движка. В автоматических    приборах   для измерения различных неэлектрических величин движок датчика соединяется с  чувствительным  элементом,  преобразующим    контролируемую величину в перемещение. Усилие, развиваемое    чувствительными элементами (мембранами, биметаллическими пластинами, поплавками и т. п.), невелико. Поэтому нельзя сильно прижимать движок к обмотке.

Наличие скользящего контакта снижает надежность потенциометрического датчика и является его основным недостатком. Для питания датчика может быть использовано как напряжение постоянного тока, так и напряжение переменного тока невысокой частоты. Входным сигналом датчика может быть не только линейное, но и угловое перемещение.

В зависимости от закона изменения сопротивления обмотки различают линейные и функциональные потенциометрические датчики.

§ 4.2. Конструкции датчиков

Конструктивно потенциометричедкий датчик (рис. 4.2) состоит из каркаса /, на который намотана в один слой обмотка 2 из тонкого провода. По виткам обмотки скользит движок (щетка) 3, который механически связан с объектом, перемещение которого надо измерить. Обмотка выполнена из изолированного провода, а дорожка, по которой скользит движок, предварительно очищена от изоляции.

Каркас выполнен обычно плоским или в виде цилиндра. Материалом каркаса может быть изолятор (текстолит, гетинакс, пласмасса, керамика) или металл, покрытый слоем изоляции. Металлические каркасы благодаря лучшей теплопроводности позволяют получить большую мощность электрического сигнала на выходе датчика. В качестве материала для такого каркаса может быть нанесен слой оксидированного алюминия толщиной около 10 мкм. При рассматривании в лупу с двадцатикратным увеличением слой не должен иметь трещин или неровностей. Напряжение пробоя такого слоя не менее 500 В.

Для обмотки потенциометрического датчика чаще всего применяют провод из манганина, константана и других проводниковых материалов, имеющих малый температурный коэффициент сопротивления. При больших усилиях прижатия движка используется провод диаметром 0,1—0,3 мм, при малых усилиях прижатия — провод из сплавов, в состав которых входят платина, серебро, иридий, рубидий, осмий и др. Диаметр провода d таких точных датчиков выбирается в пределах 0,03—0,01 мм. Характеристики некоторых проводниковых материалов, используемых для потенциометрических датчиков, приведены в табл. 4.1.

Провод наматывается на каркас с некоторым натяжением. При этом необходимо, во-первых, чтобы при понижении температуры провод не распускался из-за разных температурных коэффициентов линейного расширения материалов провода и каркаса; во-вторых, чтобы при нагреве корпуса провод при растяжении не достигал предела упругости. Толщину каркаса не рекомендуется брать менее Ad, а радиус закругления на углах каркаса — менее 2d. После намотки провода на каркас для укрепления витков и предохранения их от смещения всю поверхность покрывают тонким равномерным слоем бескислотного лака.

Таблица 4.1

Материалы проводов, используемых для потеициометрических датчиков

Материал провода

Удельное сопротивление при t=20 С, Ои*мм2

Температурный коэффициент сопротивления а, 1/C

Допустимая температура нагрева, С

Константан

Манганин

Нихром

Вольфрам Платиноиридиевый сплав

0.49

0,42

1.08

0,056

0,23

500

960

110

3400

1780

Полировка контактной поверхности обмотки (дорожки движения) производится вдоль витков наждачной или полировочной бумагой, шлифовальным кругом с алмазной пылью, а проводов с эмалевой изоляцией — фетровым кругом. Ширина дорожки составляет    обычно:

При мм движок    потенциометрического    датчика выполняется в виде пластинчатых щеток из серебра, серебра с палладием или (реже) фосфористой бронзы. Контактное усилие при этом принимается равным 0,05—0,1 Н, что обеспечивает силу трения не более Н. Для точных датчиков при d<0,\  мм

движок делается из сплавов платины с иридием, бериллием или серебром в виде двух—пяти тонких параллельных проволок. Контактное усилие при этом принимается равным Н, т. е. иногда оно достигает Н (20 мг) на отдельный контакт. Столь малые контактные усилия необходимы для высокоточных потенциометрических датчиков, используемых, например, в ответственных космических объектах.

На рис. 4.3 приведена конструкция потенциометрического датчика для измерения угловых перемещений. Так же как и датчик линейных перемещений, он состоит из каркаса / с обмоткой 2, по которой скользит движок 3. Для съема сигнала с перемещающегося движка служит добавочная щетка 4, скользящая по токосъемному кольцу 5. Выходное напряжение датчика угловых перемещений пропорционально углу поворота подвижной части первичного измерителя, соединенного с осью движка.

В некоторых автоматических приборах в качестве потенциометрического датчика используют так называемый реохорд (рис. 4.4). Он представляет собой натянутую проволоку, по которой скользит ползунок. Сопротивление реохорда пропорционально перемещению ползунка. Часто реохорд используют не в потенциометрической схеме, а включают в плечо мостовой схемы. В этом случае перемещение движка преобразуется в изменение сопротивления

§ 4.3. Характеристики линейного потенциометрического датчика

Основной характеристикой потенциометрического датчика является зависимость выходного напряжения UBыx от перемещения х. При равномерной намотке эта зависимость линейная только на холостом ходу, т. е. при отсутствии сопротивления нагрузки, подключенной к выходным зажимам датчика. В реальных условиях к этим зажимам подключаются электрические приборы, входное сопротивление которых является сопротивлением нагрузки для датчика (рис. 4.5).

Под нагрузкой обычно понимается ток нагрузки. Когда говорят, что «нагрузка отсутствует»,

то подразумевают, что именно ток нагрузки равен нулю. Сопротивление же нагрузки при этом, естественно, равно бесконечности. Следовательно, в режиме холостого хода (т. е. при отсутствии нагрузки) сопротивление нагрузки бесконечно велико.

Для анализа влияния сопротивления нагрузки Rна основную характеристику датчика, полное сопротивление обмотки которого R, введем понятие коэффициента нагрузки и  Выходное напряжение датчика

   (4.2)

По этому уравнению построим зависимость, где

U — напряжение питания датчика, для различных значений  (рис. 4.6). С уменьшением сопротивления нагрузки характеристика датчика становится нелинейной и возрастает ошибка преобразования. Относительная погрешность для нагруженного датчика может быть найдена сопоставлением выражении (4.1) и (4.2):

Отношение перемещения движка х к длине намотки обозначаем черезЕсли датчик не нагружен, т. е. сопротивление нагрузкии то выходное напряжение линейно возрастает при изменении а от 0 до 1; Графически эта за-

висимость изображается прямой линией. При наличии сопротивления нагрузки Rн, соизмеримого с сопротивлением обмотки R, эта зависимость отличается от линейной, поскольку часть тока, проходящего через датчик, ответвляется в нагрузку. Ток, поступающий от источника питания,

На рис. 4.7 построены кривые /, 2, характеризующие относительную погрешность датчика при ; 0,5 соответственно. При больших абсолютная величина максимальной погрешности   при а=2/3.

Важной характеристикой качества потенциометрического датчика является плавность изменения выходного напряжения. При перемещении движка по обмотке потенциометра происходит скачкообразное изменение сопротивления, поскольку движок как бы перескакивает с одного витка на другой. Это приводит к тому, что зависимость выходного напряжения от перемещения имеет ступенчатый вид (рис. 4.8). Число ступеней пропорционально, а их высота обратно пропорциональна числу витков обмотки. Реальная выходная характеристика имеет отклонения от идеальной (плавной, бесступенчатой) как вверх, так и вниз. Следовательно, погрешность, вызванная ступенчатостью, может быть как положительной, так и отрицательной и составляет половину напряжения 1/в, приходящегося на один виток намотки. Если обозначить через w общее число витков потенциометра, тои погрешность

ступенчатости . Для  количественной оценки погрешности, обусловленной ступенчатостью, вводят понятие электрической разрешающей способности потенциометра бР. Разрешающая способность определяет максимально возможную точность работы потенциометрического датчика. Улучшить ее можно увеличивая число витков w. Для этого можно либо удлинить намотанную часть потенциометра / (при заданном диаметре провода), либо уменьшить сечение провода. Уменьшение диаметра провода приводит к технологическим трудностям изготовления обмотки, но, самое главное, снижает надежность потенциометра, поскольку ухудшается механическая прочность обмотки и она быстрее истирается.

Увеличение длины обмотки, естественно, приводит к увеличению размеров всего потенциометра. Для устранения этого недостатка были разработаны многооборотные потенциометры.

Для улучшения разрешающей способности можно также применять движки с несколькими токосъемными контактами. На рис. 4.9 показан движок с двумя контактами 1 и 2, которые касаются обмотки 3 в двух диаметрально противоположных точках. Наличие двух параллельных контактов повышает и надежность потенциометра.

Принципиально отсутствует погрешность, обусловленная ступенчатостью у датчиков типа реохорда, где движок скользит вдоль натянутой проволоки. Эти датчики имеют малое сопротивление и выходное напряжение, т. е. низкую чувствительность, поэтому в потенциометрических схемах включения они не нашли практического применения. Чувствительность датчика может быть определена как первая производная выходного напряжения по перемещению движка. Для ненагруженного потенциометра чувствительность потенциометра пропорциональна напряжению питания датчика и обратно пропорциональна длине намотки.

§ 4.4. Реверсивные потенциометрические датчики

Выходное напряжение реверсивных датчиков изменяет знак (полярность) при изменении знака входного сигнала. В системах автоматического регулирования обычно требуются именно реверсивные (или двухтактные) датчики.

Схемы реверсивных потенциометрических датчиков показаны на рис. 4.10. В схеме на рис. 4.10, а используется потенциометр с неподвижным выводом от средней точки намотки. Выходное напряжение снимается с движка и средней точки. При переходе движка через среднюю точку выходное напряжение изменяет свой знак: при питании переменным током фаза изменяется на 180°, а постоянным током — полярность изменяется на противоположную. В следящих системах широко используется мостовая схема вклю-

чения потенциометрических датчиков, показанная на рис. 4.10, б. Потенциометр П1, связан с входной осью следящей системы и является задающим. Потенциометр П2 имеет механическую связь с исполнительным устройством. Выходное напряжение (или ток нагрузки) определяется разницей в положении движков потенциометров П1 и П2, т. е. соответствует сигналу ошибки следящей системы. Знак сигнала ошибки зависит от того, больше или меньше угол поворота исполнительной оси по сравнению с углом поворота входной оси.

Выходное напряжение рассматриваемых реверсивных схем может быть определено на основании теоремы об эквивалентном генераторе. Исследуемую систему представим как цепь, состоящую из четырехполюсника, источника питания с напряжением и сопротивления нагрузки . Тогда на основании известногоиз электротехники метода можно утверждать, что схема ведет себя, как цепь, составленная из нагрузкии генератора с внутренним сопротивлениеми электродвижущей силой Е, равной напряжению холостого хода Сопротивлениеравно выходному сопротивлению четырехполюсника, которое вычисляют при закороченном источнике питания и отключенной нагрузке. Напряжение

измеряется на выходе рассматриваемой схемы при отключенном сопротивлении нагрузки. Для четырехполюсников по схемам рис. 4.10 выходное напряжение

  (4.3)

Например, для схемы, изображенной на рис. 4.10, а, имеем

       (4-4)

 (4.5)

Подставляя выражения (4.4) и (4.5) в формулу (4.3), получаем

(4.6)

где

Аналогичные вычисления позволяют получить для схемы рис. 4.10, б при одинаковых потенциометрах Ш и П2 уравнение выходного напряжения

Где — относительное рассогласование движков потенциометровП1 и П2; — относительное перемещение движка задающего потенциометра П1;—отношение сопротивления нагрузки RH к полному сопротивлению потенциометра R. На рис 4.11 и 4.12 показаны выходные характеристики реверсивных потенциометрических датчиков, построенные    соответственно    по уравнениям (4.6) и (4.7). Характеристики построены при различных значениях коэффициента нагрузки  . Расчетные характеристики при холостом  ходе представляют собой  прямые линии, т. е. являются линейными. С уменьшением сопротивления нагрузки увеличивается отклонение характеристики от линейной. Чувствительность датчика со средней точкой (рис. 4.10, а), как следует из уравнения  (4.6) и рис. 4.11, в области малых отклонений практически не зависит от нагрузки и определяется равенством

Характеристики, изображенные на рис. 4.12, соответствуют мостовой схеме (см. рис. 4.10, б) и построены на основании формулы (4.7) для случая, когда движок задающего потенциометра установлен посередине его намотки и, следовательно, , а  относительное рассогласование движков может изменяться в пределах от —0,5 до +0,5. Чувствительность мостовой схемы зависит не только от нагрузки, но и от положения движка задающего потенциометра:

Анализ этого уравнения показывает,   что   наименьшее   значение чувствительности будет при Этому случаю и соответствуют характеристики, показанные на рис. 4.12.

В маломощных следящих системах в качестве нагрузки мостовой схемы может быть включен якорь исполнительного электродвигателя. При рассогласовании в положениях движков задающего и исполнительного потенциометров через якорь электродвигателя пойдет ток, значение которого будет соответствовать величине рассогласования, а направление — знаку рассогласования. Электродвигатель перемещает исполнительную ось следящей системы до тех пор, пока не будет устранено рассогласование.

§ 4.5. Функциональные потенциометрические датчики

Для получения выходного сигнала, изменяющегося по определенному закону, применяют функциональные потенциометрические датчики. В этих датчиках зависимость сопротивления обмотки от перемещения движка является нелинейной. Требуемая нелинейность обеспечивается различными способами: изменением профиля каркаса; изменением материала или размера провода; изменением шага намотки или длины витка.

Функциональные потенциометрические датчики нашли применение в автоматических вычислительных сис-

Рис. 4.13. Профильные функциональные потенциометрические датчики

темах, например, в автоматических навигационных системах самолетов и кораблей используются электромеханические счетно-решающие устройства, выполняющие операции умножения скорости на синус или косинус курсового угла. С помощью  функциональных датчиков может быть скомпенсирована исходная нелинейность первичного чувствительного элемента. Например, в баке сложного профиля уровень горючего не связан линейно с объемом. С помощью функционального датчика можно обеспечить линейную зависимость между выходным сигналом датчика и количеством горючего в баке. Чаще всего получение необходимой функциональной зависимости обеспечивается подбором определенного профиля каркаса потенциометра. Конструкция так называемого «профильного» потенциометрического датчика показана на рис. 4.13.   Изоляционный каркасимеет небольшую постоянную толщину , а высота его h изменяется по длине намотки . На каркас наматывается проволока 2 с высоким удельным сопротивлением. При входных  сигналах в виде угловых перемещений каркас с непрерывной обмоткой изгибают в цилиндр. Напряжение питания подается на концы обмотки. Выходное напряжение, функционально зависящее от перемещения движка х, снимается между одним из концом обмотки и движком (щеткой).

Вид функциональной   зависимости, определяется формой выреза каркаса потенциометра, т. е. зависимостью его профиля (конкретнее — высоты) от перемещения движка. Если намотка проволоки на каркас выполнена с постоянным шагом, т. е. равномерно, и потенциометр работает в режиме, близком к холостому ходу (), то высота каркаса определяется по формуле

Где  l - длина намотки потенциометра; q — сечение провода;R— общее сопротивление намотки; —напряжение питания;—число витков;—удельное сопротивление  материала  провода; b—толщина каркаса.

Анализ этого уравнения показывает, что форма профиля каркаса зависит от производной функции, воспроизводимой при помощи данного датчика. Для определения нужного профиля каркаса надо продифференцировать по перемещению х заданную зависимость выходного напряжения.

Рассмотрим несколько примеров расчета профиля потенциометрических датчиков.

Пример 4.1. Определить форму профиля каркаса линейного потенциометра с выходной характеристикой

Решение.    Производная    выходного    напряжения     по    перемещению Высота каркаса по уравнению (4.10) равна Все величины,входящие в это выражение, постоянны, значит, и высота каркаса h для линейного потенциометра должна быть постоянной.

Пример 4.2. Определить форму профиля каркаса функционального потенциометра с выходной характеристикой

Решение.    Производная    выходного    напряжения    по     перемещению Высота каркаса Для получения квадратичной функциональной зависимости форма каркаса должна быть треугольной с высотой , возрастающей  пропорционально перемещению. Из (4.10) следует, что строгое выполнение зависимости из-за конечной толщины каркаса может быть получено только отнекоторого начального значения при . Если же считать за начальную точку потенциометра, то график выходной характеристики будет начинаться не с нулевого значения, как это показано на рис. 4.14.

Пример 4.3. Определить форму профиля каркаса функционального потенциометра с выходной характеристикой

Решение. Производная выходного напряжения по перемещению

Высота каркаса

Из формул дляв примерах 4.2 и 4.3 следует, что при высота каркаса потенциометра, воспроизводящего  функцию стремится  к нулю, а при к бесконечности.

Рис. 4.14. Графики функционального     потенциометра    с    квадратичной зависимостью

Изготовить каркасы с нулевой или бесконечной высотой невозможно. Из условий прочности и технологичности рекомендуется выбирать минимальную высоту каркасамм, а максимальную мм. Необходимую  функциональную зависимость выходного напряжения можно получить только не от нулевого, а от некоторого начального значения перемещения , не равного нулю при . Следовательно, если принять за начальную точку потенциометра ,то вид зависимости будет начинаться не с нулевого значения  (рис,4.15).

Рис. 4.15. Графики функционального потенциометра с кор-неизвлекающей зависимостью

Пример 4.4. Определить форму профиля  каркаса функционального  потенциометра с выходной характеристикой

Рис.   4.16.   Графики   функционального потенциометра с синусоидальной зависимостью

Решение. Производнаявыходного напряжения по перемещению

Высота каркаса т. е. профиль каркаса будет иметь вид косинусоиды (рис. 4.16).

Из формулы (4.10) и рассмотренных выше примеров построения потенциометров с необходимым профилем видно, что высота каркаса выражается функцией, которая пропорциональна производной заданной функции по перемещению.

Выполнить каркас и намотку профильного потенциометра технологически довольно трудно, поэтому в большинстве случаев для получения выходной  функциональной характеристики применяют ступенчатые потенциометры.

При расчете ступенчатого функционального потенциометра кривую заменяют отрезками прямых (т. е. аппроксимируют). Нелинейная функция заменяется близкой к неизломанной прямой. Количество отрезков берут таким, чтобы максимальное значение ошибки аппроксимации не превышало заданного определенного значения.

Рис.  4.17.   Графики  ступенчатого  функционального    потенциометра

При кусочно-линейной аппроксимации функциональный потенциометр как бы делится на несколько линейных потенциометров.

Пусть функция задана в виде

графика на рис. 4.17, а. Аппроксимируем ее приближенной ломаной 0123. Для получения такой функциональной зависимости выходного напряжения от перемещения можно изготовить потенциометр со ступенчатым каркасом (рис. 4.17, б). Высота участков ,, выбирается таким образом, чтобы обеспечить заданные углы наклона ,,для линейных выходных характеристик на каждом из участков длиной ,,.

Рис. 4.18. Функциональный потенциометр     с   неравномерной намоткой

Рис. 4.19. Функциональный потенциометр    с  шунтирующими сопротивлениями

Требуемую функциональную характеристику можно приближенно получить применяя каркас постоянной высоты с намоткой, которая на разных участках (, ,) выполняется  разным шагом(рис. 4.18). Иногда на разных участках намотки используют провода различных сечений или материалов с отличающимися удельными сопротивлениями.

Довольно распространенным способом получения функциональной зависимости между выходным напряжением и перемещением является включение дополнительных постоянных резисторов, сопротивление которых шунтирует участки намотки (рис. 4.19). На шунтированном участке наклон характеристики уменьшается, т. е. шунтирование равносильно уменьшению ширины каркаса.

Глава 5

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 5.1. Назначение. Типы тензодатчиков

Тензометрические датчики служат для измерения деформаций и механических напряжений в деталях машин и механизмов. Они могут также использоваться для измерения других механических величин (давления, вибрации, ускорения и др.), которые предварительно преобразуются в деформацию.

Работа тензодатчиков основана на изменении активного сопротивления материала при его механической деформации. В качестве материала тензодатчиков используются проводники  (в виде проволоки, фольги или пленки) и полупроводники.

В данной главе рассматриваются проволочные, фольговые, пленочные и полупроводниковые тензодатчики, относящиеся к параметрическим датчикам. В них выходной сигнал формируется за счет изменения активного сопротивления. Поэтому их называют еще тензорезисторами. Для измерения деформаций используются и тензометрические датчики, основанные на других принципах: магнитоупругие датчики (рассмотрены в § 6.5) и струнные датчики (рассмотрены в гл. 11).

§ 5.2. Принцип действия проволочных тензодатчиков

Принцип работы проволочного тензодатчика основан на изменении активного сопротивления проволоки при ее деформации. Изменение активного сопротивления проволоки происходит по двум причинам: во-первых, изменяются геометрические размеры проволоки (длина l, сечение s); во-вторых, при деформации изменяется удельное сопротивление р материала проволоки. А эти величины и определяют активное сопротивление проволоки:

   (5.1)

Рассмотрим (рис. 5.1) провод длиной, радиусом , сечением и объемом, который при деформации (растяжении)

под влиянием силыполучает удлинениеи уменьшение радиуса . Следовательно, новый объем проволоки

    (5.2)

Пренебрегая бесконечно малыми высших порядков  [вида , , получим :

откуда приращение объема

    (5.3)

Рис. 5.1. Деформация провода

Преобразуем уравнение (5.3), помножив и поделив вычитаемое аи  заменив на:

где - коэффициент Пуассона, характеризующий   изменение   размеров проволоки при растяжении; для металлов Если бы материал не изменял объем при растяжении, то и . Таким образом, реальные металлы изменяют свой объем, а следовательно, они претерпевают и внутриструктурные изменения: очевидно, меняется плотность материала и его удельное сопротивление. Для определения изменения сопротивления проволоки при растяжении продифференцируем уравнение (5.1), полагая, что все входящие в него члены зависят от усилия.

Напомним формулу для дифференцирования произведения функций

Используя эти правила дифференцирования, записываем :

(5.5)

Продифференцируем также выражение для объема проволоки

      (5.6)

Сравнивая (5.6) и (5.4), получаем

     (5.7)

Подставляя (5.7) в (5.5), имеем

     (5.8)

Выражение для относительного изменения сопротивления получим, поделив (5.8) на (5.1):

  (5.9)

Чувствительность проволочного тензодатчика определяем как отношение величины относительного изменения сопротивления по (5.9) к относительному изменению линейного размера:

    (5.10)

Обозначим третье слагаемое в (5.10) через коэффициент, учитывающий изменение удельного сопротивления, связанное с изменением размеров:

Тогда чувствительность

            (5.11)

Слагаемое для металлов может иметь максимальное значение 1,8 (при). Но чувствительность для некоторых сплавов превышает 2. Это как раз и означает, что , т. е. при деформации изменяется удельное сопротивление.

В табл. 5.1 приведены характеристики некоторых сплавов, используемых для проволочных тензодатчиков. Следует иметь в виду, что деформация не является единственной причиной изменения сопротивления тензодатчика. Сопротивление меняется и в зависимости от температуры. Это явление используется в термосопротивлениях (см. гл. 9). Очевидно, для уменьшения температурной погрешности тензодатчика его материал должен иметь высокую чувствительностьпри малом температурном коэффициенте расширения и малом значении термоЭДС при контакте с медными соединительными проводами. В табл. 5.1 приведены пределы изменения характеристик   материалов  проволочных тензодатчиков, поскольку эти характеристики зависят не только от состава сплава, но и от технологии изготовления.

Тензочувствительность полупроводников во много раз больше тензочувствительности металлов.

§ 5.3. Устройство и установка проволочных тензодатчиков

Устройство наиболее распространенного проволочного тензодатчика показано на рис. 5.2. На полосу тонкой прочной бумаги наклеена уложенная зигзагообразно   тонкая   проволока.


Рис.  5.2.  Проволочный  наклеиваемый тензодатчик

К концам проволоки с помощью пайки или сварки присоединены выводы из медной фольги, с помощью которых датчик подключен в измерительную цепь. Сверху проволока также защищена от внешних воздействий тонкой бумагой. Тензодатчик приклеивают испытуемой детали, благодаря чему деформацию детали воспринимает проволочная решетка. Длина детали, занимаемая проволокой, называется измерительной базой датчика.

Для того чтобы получить наибольшее изменение сопротивления датчика, его надо расположить в направлении действия деформирующего усилия (сжатия или растяжения), т. е. направление измерительной базы должно совпадать с осью, по которой направлено усилие. Если же направления базы и усилия взаимно перпендикулярны, то деформация и изменение сопротивления очень малы. Если расположить несколько датчиков под углом друг к. другу, то можно определить не только величину деформации, но и направление приложенных к детали усилий.

Приклейка датчика к детали — очень важная технологическая операция. Качество ее выполнения сильно влияет на точность и надежность работы тензодатчика. Перед приклейкой производят тщательную очистку и обезжиривание поверхности детали. Наиболее часто для приклейки используются бакелито-фенольные клеи: для температуры до 100°С и кислой среды;для температуры до 60°С и щелочной среды. Сушка проводится при повышенных температурах в течение часа. Для защиты от влаги используют парафиновые и другие покрытия. Разработаны специальные клеи (на кремнийорганической основе) и покрытия для использования тензодатчиков при температурах до 1000°С.

При выборе измерительной схемы для тензодатчиков необходимо учитывать два обстоятельства. Во-первых, проволочные тензодатчики имеют малое относительное   изменение  сопротивления (). Для увеличения чувствительности применяют мостовые схемы с двумя или четырьмя одинаковыми датчиками, наклеиваемыми на испытуемую деталь таким образом, что датчик, включенный в одно плечо моста, работает на сжатие, а датчик, включенный в смежное плечо моста, работает на растяжение. Во-вторых, необходимо принимать меры для компенсации температурной погрешности. Мостовая схема включения тензодатчиков с компенсацией температурной погрешности показана на рис. 5.3, а.

Рабочий датчик с сопротивлениемнаклеивается в направлении действия усилия, а другой — компенсационный — датчик с сопротивлениемнаклеивается в перпендикулярном направлении. Датчикиинаходятся в одинаковых тепловых условиях. При деформации детали изменяется сопротивление только датчика А при изменении температуры в одинаковой степени изменяются сопротивленияи. Поэтому при деформации нарушается баланс моста () и появляется выходной сигнал, пропорциональный усилию или деформации. При изменении температуры баланс моста не нарушается.

На рис. 5.3, б показана мостовая схема включения тензодатчиков повышенной чувствительности, а на рис. 5.3, в показаны места крепления тензодатчиков. В противоположные плечи мостаи включены датчики, работающие на растяжение (приклеенные к верхней поверхности изгибающейся под действием силы пластины). А в плечи мостаивключены датчики, работающие на сжатие (приклеенные к нижней поверхности пластины). Условие баланса моста () при деформации пластины нарушается

Рис. 5.3. Схемы включения и места крепления тензодатчиков

весьма сильно:иувеличиваются,иуменьшаются. Поэтому выходной сигнал мостовой схемы значительно больше, чем при одном изменяющемся плече моста. Чувствительность при этом повышается примерно в четыре раза. Одновременно такая схема обеспечивает и температурную компенсацию.

По конструктивным параметрам тензодатчики подразделяются на датчики с малой базой (L = 0,4…4 мм); со средней базой (L ==4-^25 мм); с большой базой  (). Активное сопротивление датчиков с малой базой 5—100 Ом, со средней базой 100— 400 Ом, с большой базой до 1000 Ом. Ширина датчиков от 3 до 60 мм. Длина выводов датчиков составляет 20—80 мм. Относительная чувствительность проволочных тензодатчиков зависит от материала проволоки: для константана; для элинвара(см. табл. 5.1).

§ 5.4. Фольговые, пленочные, угольные и полупроводниковые тензодатчики

Фольговые тензодатчики изготовляют методом фотохимического травления. Решетка такого датчика выполняется из разных сплавов (медь с никелем, серебро с золотом и др.), которые обеспечивают достаточную чувствительность и в то же время имеют надежное сцепление (адгезию) с изоляционной основой, на которой выполняется датчик. Пленочные тензодатчики изготовляют путем напыления слоя германия, теллура, висмута или сульфида свинца на эластичное изоляционное основание из слюды или кварца.

В отличие от проволочных фольговые и пленочные тензодатчики имеют решетку не круглого, а прямоугольного сечения с очень большим отношением ширины к высоте. По сравнению с проволочными они имеют ряд преимуществ. Благодаря большой площади соприкосновения токопроводящих полосок датчика с деталью обеспечиваются хорошие условия теплоотдачи. Это позволяет в несколь-

a) б) в)

Рис. 5.4. Фольговые тензодатчики

ко раз повысить плотность тока фольговых датчиков и в десятки раз — плотность тока пленочных датчиков (до 103 А/мм2). Благодаря большому отношению периметра сечения плоской полосы к площади ее сечения улучшается восприимчивость к деформации и точность ее измерения. Чувствительность пленочных датчиков достигает 50. Благодаря увеличенному сечению концов фольговой и пленочной решетки увеличивается надежность пайки (или приваривания) выводов датчика.

Фольговые датчики имеют толщину проводящего покрытия 3— 15 мкм. Сопротивление фольговых датчиков находится в пределах от 30 до 300 Ом. Фотохимический способ позволяет выполнить любой рисунок решетки, что также является достоинством фольговых датчиков. На рис. 5.4 показаны различные типы фольговых тензодатчиков: а — предназначен для измерения линейных перемещений; б — розетка из двух датчиков, позволяющая измерять деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях; в — датчик, предназначенный для наклеивания на мембрану и измерения давления.

Для измерения механических усилий и напряжений используются и угольные датчики. Их работа основана на зависимости активного сопротивления угольных (или графитовых) контактов от силы контактного сжатия. Устройство угольного датчика показано на рис. 5.5, а. Угольные диски 3 зажимаются между прижимным винтом 6 и упором 5, воспринимающим измеряемое усилие F. Давление на угольные диски 3 передается через металлические диски /, изоляционные прокладки 4 и медные прокладки 2, имеющие выводы для включения датчика в измерительную схему.

Активное сопротивлениеугольного столбика складывается из внутреннего сопротивления шайбы и переходного контактного сопротивления между шайбами:

     (5.12)

Внутреннее сопротивление диска определяется электрическими свойствами материала дисков и не зависит от усилия F. Удельное сопротивление электродных углей составляет, например, 30— 150 Ом-мм2/м- Переходное контактное сопротивление зависит от усилия F следующим образом:

      (5.13)

Рис. 5.5. Угольный датчик для изме-     Рис.  5.6. Тензолитовый  уголь-
рения усилия   ный датчик

где k — коэффициент, зависящий от свойств материала шайб. Подставляя (5.12) в (5.13), получим

     (5.14)

Зависимость сопротивления угольного датчика от усилия показана на рис. 5.5, б. Характеристика имеет небольшую петлю гистерезиса при прямом и обратном ходе из-за некоторого заливания угольных дисков. При небольших усилиях  () из-за   слабого контакта между дисками статическая характеристика угольного датчика имеет зону неопределенности. Для устранения этой зоны неопределенности и служит прижимный винт в, обеспечивающий начальное усилие сжатия F0.

Для измерения упругих деформаций используются угольные датчики тензолитового типа. Изготовляются они из угольного (графитового) порошка или сажи, смешанной с изолирующим лаком (бакелит или шеллак). Такая масса называется тензолитом.

Выполняются угольные тензометрические датчики (рис. 5.6) в виде стержней / диаметром около 1 мм с медными выводами. На контролируемую деталь наклеивают полоску изоляционной бумаги 2,  а к бумаге приклеивают стержень. При деформации детали стержень также деформируется. Происходит изменение плотности контакта, между частицами угля, и, следовательно, сопротивление датчика изменяется: при сжатии — уменьшается, при растяжении— увеличивается. Относительная чувствительность тензоли-тового датчика определяется, как и для проволочных тензодатчиков, по формуле•.   Она не является постоянной величиной из-за нелинейной зависимости (см. рис. 5.5, б) и может достигать больших величин (до 20).

В полупроводниковых тензодатчиках используются кристаллические полупроводниковые материалы. Принцип действия их такой же, как и у проволочных тензодатчиков: изменение активного сопротивления из-за механической деформации самого проводника и изменения удельного сопротивления. Но если в металлических проводниках главным является изменение размеров [коэффициент m. в уравнении (5.11)], то в металлических полупроводниках главным является изменение удельного сопротивления [коэффициент т в -уравнении (5.11)].

Наиболее заметен тензоэффект в таких полупроводниках, как германий Ge, кремний Si, соединения индия In, галлия Ga. Для них можно на практике считать, чтоЧувствительность полупроводникового тензодатчика зависит от ориентировки действия сил (кристаллографического направления). Влияют на чувствительность также наличие примесей и температура.

Наибольшее распространение получили германиевые и кремниевые тензодатчики, причем последние способны работать при высоких температурах (до 540°С) и больших механических нагрузках.

§ 5.5. Методика расчета мостовой схемы с тензодатчиками

Расчет мостовой схемы с тензодатчиками выполняется на основе следующих исходных данных: максимальное усилие F; чувствительность ; сопротивление датчика ; сопротивление измерительного прибора, или входное сопротивление усилителя, • ; допустимый ток элементов схемы; размеры испытуемой детали и модуль упругости Е ее материала.

Эскиз крепления тензодатчика на консольной  балке  шириной и толщиной h показан на рис. 5.7. Расчет выполняется в такой последовательности: 1. Прогиб балки под действием силы F, приложенной на расстоянии L от места закрепления,

     (5.15)

где —момент инерции;

2. Относительное удлинение балки

(5.16)

3. Относительное изменение сопротивления датчика

(5.17)

4. Общая чувствительность измерения

(5.18)

где —используемая шкала прибора. Желательно использовать
всю шкалу прибора, что позволит полностью реализовать точность
измерительного прибора.

5. Необходимая   чувствительность   моc-

товой схемы: для схемы с двумя датчиками

для схемы с четырьмя датчиками

  

где— чувствительность измерительного

прибора.

6. Затем по методике, изложенной в гл. 2, на основании (2.16)
находим функцию коэффициентов
т, п, q, которые выражают соотношение сопротивлений плеч моста и измерительного прибора:

    (5.20)

7. Определяем коэффициенты q и т:(для двух датчиков).

8. Необходимое значение коэффициента п находим по номограмме, построенной для полученных значений q n m аналогично рис. 2.4.
Полученное значение чувствительности сопоставляется с формулой
(5.20), и решается вопрос об использовании всей шкалы прибора.

Значение коэффициента п не должно превышать определенного предела, при котором ток не превышает допустимого значения при напряжении питания мостовой схемы U.

9. При измерении динамических деформаций частота питания
должна быть в 5—10 раз выше частоты измеряемой деформации.
При измерении деформаций частотой более 1 кГц мост обычно пи
тают постоянным током.

10. Если невозможно обеспечить требуемую точность измерения,
то применяют методы тарировки (градуировки) измерительного
прибора по образцовому прибору.

Глава 6

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ДАТЧИКИ

§ 6.1. Назначение. Типы электромагнитных датчиков

Электромагнитные датчики предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Эти изменения могут заключаться, например, в увеличении или уменьшении магнитного сопротивлениямагнитной цепи датчика при перемещении сердечника. Если перемещается не сердечник, а обмотка, то происходит изменение потокосцепления обмотки. Таким образом, изменения в электромагнитной цепи датчика могут быть вызваны как перемещением элемента магнитной цепи (сердечника или якоря), так и перемещением элемента электрической цепи (обмотки). В результате таких перемещений изменяется индуктивность обмотки L или ее взаимоиндуктивность М с обмоткой возбуждения. Поэтому в технической литературе электромагнитные датчики часто называют индуктивными.

Электромагнитные датчики   обычно   рассматривают   как параметрические, поскольку величины L и М зависят от перемещения х: L = f(x), M=f(x). Но электромагнитные датчики с изменяющейся взаимоиндуктивностью можно отнести  и к генераторному типу, поскольку в результате изменяется и ЭДС обмотки, т. е. E = f(x). Так как ЭДС в выходной обмотке появляется за счет изменения коэффициента взаимоиндукции с обмоткой возбуждения, то такие "электромагнитные   датчики   называют   трансформаторными. Ведь обмотку возбуждения можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а выходную обмотку — как вторичную. К генераторным относятся и индукционные датчики, в  обмотках   которых генерируется  ЭДС в зависимости  от скорости  перемещения: ==/

С помощью электромагнитных датчиков можно автоматически измерять механические силы, давление, температуру, свойства магнитных материалов, определять внутренние полости и трещины в деталях (дефектоскопия), толщину немагнитных покрытий на стали, расход жидкостей и газов в трубопроводах и др.

Электромагнитные датчики имеют следующие достоинства: простота и дешевизна конструкции, механическая прочность, высокая надежность за счет возможности съема выходного сигнала без скользящих контактов, возможность питания от промышленной сети частотой 50 Гц, возможность получения достаточно высокой мощности выходного сигнала, возможность работы как в диапазоне малых (доли мм), так и больших (метры) перемещений. К недостаткам электромагнитных датчиков следует отнести влияние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей и частоты питающего напряжения, а также возможность работы только на переменном токе (питание постоянным током возможно лишь для индукционных датчиков, рассмотренных в § 6.6).

Изменение индуктивности и взаимоиндуктивности может происходить и под влиянием механических напряжений в сердечнике электромагнитного датчика. Такие напряжения приводят к изменению магнитной проницаемости ферромагнитного материала сердечника. Электромагнитные датчики, основанные на таком физическом явлении, называются магнитоупругими датчиками.

Электромагнитные датчики (индуктивные, трансформаторные, индукционные, магнитоупругие) получили широкое распространение в системах автоматики.

§ 6.2. Принцип действия и основы расчета индуктивных датчиков

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рис. 6.1 показаны две наиболее распространенные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике. Это одинарные индуктивные датчики. На сердечнике 1 из электротехнической стали размещена обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения. Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, который может перемещаться относительно сердечника 2. Якорь 3 механически связан с деталью,   перемещение   которой необходимо измерить.

Рис. 6.1. Простые индуктивные датчики

Эта деталь на рисунке не показана, но перемещение х ее может происходить в вертикальном (рис. 6.1, а) или в горизонтальном направлении (рис. 6.1, б). Перемещение якоря изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора б. Следовательно, изменится индуктивность обмотки 2. Поскольку эта обмотка включена на переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определяться ее полным сопротивлением, в которое входит и индуктивное сопротивление. С увеличением воздушного зазора магнитное сопротивление увеличивается, а индуктивность, индуктивное и полное сопротивления уменьшаются (рис. 6.2, а). Следовательно, ток в обмотке увеличивается (рис. 6.2, б). Полагая ток I в обмотке за выходной  сигнал датчика, а перемещение х — за входной сигнал, имеем выходную характеристику в виде графика I=f(x)

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от перемещения. Анализ проведем применительно к конструктивной схеме, показанной на рис. 6.1, а. В этом случае приращение перемещения х всегда равно приращению зазора б, поэтому нам необходимо получить математическую зависимость токаот

зазора

Пусть обмотка датчика включена на напряжение питания; где — действующее значение напряжения, — угловая частота, рад/с. По закону Ома, действующее значение тока в обмотке

                                    (6.1)

Рис.  6.2.  Характеристики   индуктивного датчика

где — полное   сопротивление обмотки датчика, Ом, состоящее из активного R и индуктивного сопротивлений: Индуктивное сопротивление пропорционально    индуктивности    L    и частоте питания : Xl= (Напомним, что) После подстановки имеем

     (6.2)

Индуктивность обмотки датчика с числом витков w

       (6.3)

Где —магнитный поток сердечника, Вб. Принимаем, что весь магнитный поток проходит через воздушный зазор, т. е. потоки рассеяния отсутствуют. Тогда

      (6.4)

Здесь — магнитное сопротивление магнитопровода датчика, Гн. Это сопротивление слагается из сопротивления стали сердечника и якоряи сопротивления воздушного зазора:

     (6.5)

Сопротивление воздушного зазора пропорционально удвоенной длине воздушного зазора, поскольку магнитный  поток проходит через воздушный зазор дважды:

    (6.6)

где— поперечное сечение воздушной части магнитопровода, равное активной площади поперечного сечения сердечника в зоне душного зазора, м2;Гн/м — магнитная проницаемость воздуха.

После подстановки (6.5) и (6.6) в (6.4) получим выражение для магнитного потока:

Выражение для индуктивностиполучаем подстановкой (6.7) в (6.3):

     (6.8)

Индуктивное сопротивление обмотки

    (6.9)

       (6.10)

Анализ формулы (6.10) показывает, что с увеличением воздушного зазора (а следовательно, и перемещения) полное сопротивление уменьшается, стремясь в пределе к величине активного сопротивления обмотки R. Зависимость полного сопротивленияот величины зазора б показана на рис. 6.2, а. Ток в обмотке датчика

Если входным сигналом датчика считать перемещение якоря х от начального положения прив сторону увеличения зазора (по рис. 6.1, а), то формула после заменынапредставляет собой статическую характеристику одинарного индуктивного датчика, т. е.. График статической характеристики показан на рис.6.2, б. Как видно из анализа формулы (6.11) и графика, зависимостьимеет нелинейный характер. Однако на графике можно выделить участок АБ, на котором соблюдается прямая пропорциональность между входным и выходным сигналами. Этот участок называется рабочим, датчик используется именно в диапазоне входных сигналов от до Следовательно, датчик всегда имеет некоторый воздушный зазор, не меньший. В большинстве конструкций индуктивных датчиков магнитопровод ненасыщен и магнитная проницаемость материала сердечника весьма велика. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора (уже при ) значительно больше магнитного сопротивления стального сердечника, т. е.

Пренебрегая величиной в формуле (6.9), получаем упрощенное выражение для индуктивного   сопротивления    (с учетом ):

   (6.12)

В этом же диапазоне изменения  воздушного зазора  от до активное сопротивлениезначительно меньше индуктивного сопротивления

Пренебрегая в (6.2) величиной, с учетом (6.12) получаем приближенное выражение статической характеристики индуктивного датчика

      (6.13)

где R— коэффициент передачи, определяемый напряжением и частотой питания, конструктивными размерами сердечника и числом витков обмотки датчика;

Таким образом, в некотором диапазоне изменения входного сигналастатическая характеристика индуктивного датчика является линейной с постоянным коэффициентом передачи.

График такой статической характеристики имеет вид прямой линии (штриховая на рис. 6.2, б). Это идеальная характеристика датчика. Реальная характеристика (сплошная линия 2 на рис. 6.2, б) совпадает с идеальной на рабочем участке АБ. Проанализируем причины отклонения реальной характеристики от идеальной.

В зоневоздушный зазор очень мал и его магнитное сопротивление становится соизмеримым с магнитным сопротивлением стальных сердечника и якоря. Реальная характеристика начинается не от нуля, поскольку даже прииндуктивное сопротивление не может быть равно бесконечности. Следовательно, некоторый ток будет протекать по обмотке, выполненной даже на замкнутом магнитопроводе. Для уменьшения значения начального токаиспользуют для сердечника и якоря индуктивного датчика материалы с высоким значением магнитной проницаемости.

В зоне индуктивное сопротивление обмотки уже настолько уменьшается, что становится соизмеримым с активным сопротивлением обмотки, которое и ограничивает нарастание тока. Следует также отметить, что при больших зазорах часть магнитного потока уже не замыкается через якорь, а замыкается непосредственно по воздуху.

На практике диапазон изменения воздушного зазора для индуктивных датчиков по рис. 6.1, а не превышает 4—5 мм. Значительно больший диапазон изменения входного сигнала (перемещения) имеют индуктивные датчики по рис. 6.1, б. Такие датчики имеют близкую к линейной статическую характеристику при перемещениях якоря до 10—15 мм.

Величину начального воздушного зазора (т. е. исходное положение якоря, при котором входной сигнал равен нулю) рекомендуется выбирать в середине линейного участка статической характеристики датчика. Оценим чувствительность индуктивного датчика при включении его в одно плечо мостовой измерительной схемы в качестве переменного сопротивления. Питание моста осуществляется напряжением переменного тока. В этом случае чувствительность представляет собой относительное изменение сопротивления, деленное на приращение величины воздушного зазора:

      (6.14)

где—приращение величины воздушного зазора, вызывающее изменение полного сопротивления обмотки датчикана

Пренебрегая имеем. Возьмем  производную  полного сопротивления по перемещению при

         (6.15)

Подставим в (6.15) значение индуктивности из (6.9), пренебрегая:

   

или, переходя к конечным приращениям,

     (6.16)

Поделив (6.16) наполучим   выражение  для   чувствительности:

  (6.17)

С увеличением зазора чувствительность датчика резко уменьшается. А при выборе в качестве начальной точки малой величины зазора можно получить большую чувствительность и значительный сигнал разбаланса мостовой схемы, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования усилителя на выходе моста. Например, при мм и мм   чувствительность и относительное изменение сопротивления т. е. при изменении зазора на 0,1 мм сопротивление датчика изменяется на.

Одним из недостатков одинарного индуктивного датчика является то, что на его якорь действует сила притяжения к сердечнику.

Эта сила вносит погрешность в работу датчика тем большую, чем меньше перестановочное усилие детали, перемещение которой надо измерить. Индуктивный датчик представляет собой электромагнит, тяговая сила которого, как известно из электротехники, пропорциональна производной магнитной энергиипо перемещению:

     (6.18)

Знак минус означает, что сила направлена в сторону, соответствующую уменьшению магнитной энергии. Энергия магнитного поля катушки с током

          (6.19)

Если сделать те же допущения, что и при выводе уравнения статической характеристики датчика (6.13), то для электромагнитной силы, воздействующей на якорь, можно записать уравнение

    (6.20)

Анализ уравнения (6.20) показывает, что в рабочем диапазоне входных перемещений при принятых допущениях электромагнитная сила притяжения не зависит от зазора. Эта сила пропорциональна квадрату напряжения питания и обратно пропорциональна частоте питания. Повышение частоты питания снижает силу притяжения, но ухудшает точность работы датчика, поскольку возрастают потери в стали из-за вихревых токов.

Кроме наличия электромагнитной силы притяжения индуктивные датчики имеют также и другие серьезные недостатки: при изменении знака входного сигнала не меняется знак выходного сигнала (т. е. датчик не является реверсивным); диапазон изменения входного сигнала, при котором сохраняется линейность статической характеристики, невелик.

Указанные недостатки ограничивают область применения одинарных индуктивных датчиков. На практике они нашли применение в качестве бесконтактных датчиков положения и концевых выключателей при управлении механизмами, имеющими значительные перестановочные усилия. В таких схемах автоматики наиболее полно проявляются достоинства одинарных индуктивных датчиков: простота конструкции и высокая надежность.

§ 6.3. Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики

Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Предназначены   дифференциальные  индуктивные датчики для получения реверсивной  статической  характеристики и для компенсации электромагнитной силы притяжения якоря.

Рассмотрим работу дифференциального индуктивного датчика (рис. 6.3, а), состоящего из двух одинаковых сердечников 1 и 2 с обмотками и расположенного между сердечниками якоря 3, способного перемещаться влево и вправо относительно среднего симметричного положения. Питание дифференциального датчика осуществляется от трансформатора с выводом от средней точки вто-

а) 6)

Рис. 6.3. Дифференциальный индуктивный датчик

ричной обмотки. Сопротивление нагрузки RB включается между этой средней точкой и общей точкой обмоток сердечников 1 и 2. Ток в сопротивлении нагрузки можно представить как алгебраическую сумму двух токов: в левом и правом контурах. Каждый контур состоит из половины вторичной обмотки трансформатора, одинарного индуктивного датчика и сопротивления нагрузки Rn, общего для обоих контуров. Рассмотрим направления контурных токов в момент времени, когда во вторичной обмотке трансформатора индуцируется условно положительный полупериод напряжения: плюс — у левого зажима; минус — у правого. Полярность средней точки относительно левого зажима будет минусовая, а относительно правого — плюсовая. Принимая за положительное направление тока во внешней цепи от плюса к минусу, определяем, что ток левого контуранаправлен сверху вниз, а ток правого контура— снизу вверх. Следовательно, эти токи вычитаются, а через нагрузку пойдет разностный ток. В следующий полупериод полярность изменится на противоположную (на рис. 6.3 показана в скобках). Соответственно изменится направление токов в нагрузке, но опять ток в нагрузке будет равен разности токови( их направление показано пунктиром). Очевидно, что каждый  из этих контурных токов можно определить по формулам (6.11) или (6.13). При среднем (симметричном) положении якоря 3 индуктивности обмоток 1 и 2 одинаковы. Следовательно, токи I1 и I2 равны, разность их равна нулю, выходной сигнал (ток в сопротивлении нагрузки) равен нулю: Iu=I1-I2=0

При перемещении якоря вправо (примем его за положительный входной сигнал) индуктивность L2 возрастает, поскольку воздушный зазор в одинарном индуктивном датчике 2 уменьшается, а индуктивность L1 убывает, поскольку зазор в датчике 1 увеличивается. Следовательно, I1>I2 и появляется выходной сигнал в виде тока

нагрузки определенной полярности. При перемещении якоря влево (отрицательный входной сигнал) соответственно уменьшается L2 и  увеличивается L1, соотношение токов I1  I2 и полярность тока нагрузки изменяется. Поскольку речь идет о переменном синусоидальном токе, это означает, что фаза тока изменяется на 180°. Таким образом, статическая характеристика дифференциального датчика (рис. 6.3, б) будет реверсивной, зависящей от знака входного сигнала. А дифференциальным датчик называется потому, что выходной сигнал формируется как разность сигналов двух одинаковых датчиков.

Силы притяжения якоря к сердечникам возникают и в этом случае, но направлены они в противоположные стороны и поэтому почти полностью взаимно компенсируются. Поэтому для перемещения якоря требуется незначительное усилие. Очень важной особенностью дифференциального датчика является равенство нулю выходного сигнала при нулевом входном сигнале. Напомним, что в одинарном датчике выходной сигнал (ток через обмотку) был не равен нулю даже при нулевом воздушном зазоре.

Для получения реверсивной статической характеристики используют и мостовую схему включения индуктивных датчиков (рис. 72 6.4, а, б). Плечи моста образованы обмотками двух сердечников 1 и 2 с индуктивностями соответственно L1 и L2 и двумя постоянными резисторами с сопротивлением R. К одной диагонали моста подводится напряжение питания Uo переменного тока, со второй диагонали снимается выходное напряжение Uвых. Если якорь 3 занимает среднее положение, то индуктивности L1 и L2 одинаковы и мост сбалансирован. Выходное напряжение Uвых при этом равно нулю. При отклонении якоря от среднего положения баланс моста нарушается, так как индуктивность одной обмотки увеличивается, а другой — уменьшается. Изменение направления перемещения якоря вызывает изменение фазы выходного напряжения на 180°, т. е. характеристика мостовой схемы индуктивных датчиков является реверсивной (см. рис. 6.3, б).

Повысить чувствительность можно увеличением напряжения питания и снижением величины начального воздушного зазора, т. е. сближением сердечников 1 и 2.

Питание индуктивных датчиков всегда- осуществляется переменным током, но с помощью выпрямительных схем выходной ток может быть и постоянным. Для того чтобы иметь реверсивную характеристику, используют фазочувствительный выпрямитель. Схема реверсивного индуктивного датчика с выходным постоянным

Рис. 6.5. Схема включения реверсивного индуктивного датчика с выходным постоянным током

током показана на рис. 6.5. Сердечники на схеме показаны Ш-об-разной формы. Такие сердечники используются чаще, чем П-образ-ные, показанные на предыдущих рисунках, хотя принцип действия одинаков для датчиков с сердечниками разной формы. Выходной сигнал датчика снимается с помощью измерительного трансформатора 1 и подается на одну диагональ выпрямительного моста 3. Опорное напряжение снимается с трансформатора 2 и подается на другую диагональ моста 3. Нагрузка Rн включается между средними точками вторичных обмоток трансформаторов 1 и 2. При фазочувствительном выпрямлении изменение фазы сигнала на 180° приводит к изменению полярности выпрямленного напряжения.

Следует отметить, что при неидентичности одинарных индуктивных датчиков, используемых в дифференциальной или мостовой схемах, возникает остаточное напряжение даже в среднем положении якоря. Это остаточное напряжение сдвинуто по фазе относительно напряжения питания, определяющего фазу полезного

сигнала. Следовательно, остаточное напряжение может быть разложено на две составляющие. Одна составляющая, совпадающая по фазе с полезным сигналом, называется синфазной. Другая составляющая, сдвинутая по фазе на 90° относительно полезного сигнала, называется квадратурной. Остаточное напряжение является напряжением погрешности, и поэтому желательно его скомпенсировать. Синфазную составляющую остаточного напряжения можно скомпенсировать соответствующим перемещением якоря от среднего положения. Одновременно скомпенсировать и синфазное и квадратурное напряжения погрешности таким способом нельзя. Для подавления квадратурной составляющей могут быть использованы фазочувствительные выпрямители, обладающие свойством не пропускать сигналы, сдвинутые по фазе на 90° относительно опорного напряжения.

Реверсивные индуктивные датчики с сердечниками Ш- и П-об-разной формы используются для измерения довольно малых перемещений; они имеют начальный зазор порядка 0,3—1 мм.

Для измерения больших перемещений применяют индуктивные датчики в виде катушки с подвижным внутренним сердечником. Если сердечник полностью введен внутри катушки, на которую намотана обмотка, то ее индуктивное сопротивление максимально, а ток в обмотке имеет минимальное значение. При выводе сердечника из катушки индуктивное сопротивление уменьшается, а ток соответственно увеличивается. Индуктивные датчики в виде катушки с перемещающимся внутри нее сердечником получили название плунжерных датчиков. Их также называют индуктивными датчиками с разомкнутым магнитопроводом, поскольку даже при максимальной индуктивности обмотки основной путь магнитного потока проходит по воздуху. С этой точки зрения рассмотренные выше датчики с обмоткой на неподвижном сердечнике и с перемещающимся якорем называют индуктивными датчиками с замкнутым магнитопроводом.

У плунжерных датчиков есть одна очень важная особенность: они позволяют получить информацию о перемещении из замкнутого, изолированного пространства. Пусть, например, надо измерить уровень какой-либо очень вредной жидкости, пары которой ядовиты, да еще находятся под большим давлением. Тогда катушку / плунжерного датчика (рис. 6.6) надевают на разделительную трубку 3 из нержавеющей немагнитной стали, внутри которой и перемещается сердечник 2 из ферромагнитного материала. Перемещение сердечника изменяет индуктивность катушки, а разделительная трубка не экранирует магнитное поле, поскольку материал трубки имеет очень малую магнитную проницаемость. Таким образом, обмотка датчика, все другие электрические элементы измерительной схемы размещены в обычных, нормальных условиях. В связи с этим про плунжерные датчики говорят, что они позволяют вывести    перемещение   из   замкнутого    объема.

В этом основное преимущество плунжерных датчиков перед датчиками с замкнутым магнитопроводом. А вот по чувствительности, мощности выходного сигнала плунжерные датчики уступают индуктивным датчикам с замкнутым магнитопроводом.

С помощью плунжерных датчиков могут быть реализованы такие же дифференциальные и мостовые схемы, какие были рассмотрены выше (см. рис. 6.3, 6.4).

Рассмотрим в качестве примера использование плунжерных датчиков в схеме индуктивного моста (рис. 6.7). Обмотка каждого из двух датчиков А и Б имеет вывод от средней точки. 06-

мотки датчиков соединены друг с другом проводами линии связи. Напряжение питания приложено между средними точками обмоток. Каждая из половин обмоток образует плечо моста переменного тока. Датчик А установлен в передающем приборе, датчик Б — в приемном приборе. При перемещении сердечника датчика А изменяется индуктивное сопротивление каждой из половин его обмотки. Например, при перемещении сердечника вверх возрастает индуктивность LAi и уменьшается индуктивность LA2. Баланс моста нарушается, и по проводам линии связи протекают токи разбаланса I1 и I2. Эти токи, протекая по обмотке датчика Б, вызывают электромагнитную силу, перемещающую сердечник датчика Б. Под действием этой силы сердечник датчика Б устанавливается в такое же положение, что и сердечник датчика А. При этом, естественно, происходит соответствующее изменение индуктивностей Lб1 и Lб2. Условием баланса моста является, как известно, равенство произведений сопротивлений противолежащих плеч моста или соответствующих индуктивностей: LA1LB2=LA2LB2

Схема индуктивного моста позволяет осуществить дистанционную передачу линейных перемещений. Однако усилие на приемной стороне весьма невелико. Например, выпускались приборы с катушками диаметром 65 мм, высотой 135 мм и массой 2,5 кг. При полном ходе в 30 мм обеспечивалось усилие в несколько сан-тиньютон на 1% полного хода сердечника. Такого усилия достаточно лишь для перемещения стрелки в приемном приборе.

Для получения значительно больших усилий схема индуктивного моста используется совместно с усилителем и электродвигателем. Напряжение разбаланса моста   снимается с измерительной диагонали моста и подается на вход усилителя, который питает электродвигатель, перемещающий (через редуктор) сердечник датчика Б до тех пор, пока не наступит баланс моста, т. е. =0.

§ 6.4. Трансформаторные датчики

        Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении коэффициента взаимоиндукции обмоток при перемещении якоря. Они относятся к электромагнитным датчикам генераторного типа. ; Магнитные системы трансформаторных датчиков такие же, как и у рассмотренных в предыдущем параграфе индуктивных датчиков. Отличие заключается лишь в том, что добавляется еще обмотка, с которой и снимается выходной сигнал. Благодаря этому в трансформаторных датчиках отсутствует непосредственная электрическая связь между цепью питания и измерительной цепью. Существует связь лишь за счет магнитного поля (трансформаторная связь), что позволяет выбором числа витков выходной обмотки получить любой уровень выходного напряжения.

На рис. 6.8 показан трансформаторный датчик с подвижным якорем. Обмотка возбуждения w1 питается напряжением U1, которое создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Во вторичной обмотке w2 индуцируется ЭДС E2, значение которой зависит от величины воздушного зазора б. Максимальная ЭДС Е2 получается при =0, поскольку при этом магнитное сопротивление замкнутого магнитопровода минимально и по нему проходит максимальный магнитный поток Ф. С увеличением ! уменьшаются магнитный поток и соответствующая ему ЭДС E2.

Рис.    6.8.     Трансформаторный датчик линейных перемещений

Такой датчик используется для измерения малых линейных пе ремещений, но имеет серьезный недостаток: зависимость ЭДС Е2 от перемещения якоря х нелинейна и не проходит через нуль.

На рис. 6.9, а показан трансформаторный датчик с поворотной обмоткой. Магнитопровод датчика не подвижен и состоит из ярма 1 и сердечника 2. Обмотка возбуждения wt размещена на ярме 1, запитана переменным напряжением Ut и создает в зазоре между ярмом 1 и сердечником 2 переменный магнитный поток Ф, амплитудное значение которого неизменно. В зазоре с равномерным распределением индукции размещена поворотная рамка 3 с

 Рис. 6.9. Трансформаторный датчик угловых перемещений

вторичной обмоткой w2, в которой индуцируется ЭДС Е2, являющаяся выходным сигналом датчика. В зависимости от угла поворота а Е2 изменяется от нуля (при =0 плоскость рамки размещена вдоль направления магнитного потока) до максимального значения (при =90° плоскость рамки размещена поперек направления магнитного потока, весь магнитный поток сцеплен с витками вторичной обмотки w2). При изменении знака угла поворота а фаза ЭДС Е2 изменяется на 180°, т. е. датчик является реверсивным. В некотором диапазоне входного сигнала (угла поворота а) обеспечивается линейная зависимость E2=f(). Статическая характеристика трансформаторного датчика с поворотной обмоткой показана на рис. 6.9, б. Такие датчики получили распространение для дистанционных передач показаний различных приборов под названием ферродинамических преобразователей. Недостатком ферродинамических преобразователей является зависимость выходного сигнала от колебаний напряжения и частоты питания.

Если необходимо измерять большие угловые перемещения в одну сторону, то последовательно с вторичной обмоткой включается дополнительная обмотка смещения wсм , размещенная на ярме 1. Потокосцепление ее неизменно; следовательно, в ней индуцируется ЭДС Есм с постоянным амплитудным значением. При после довательном соединении обмоток w2 и wсм ЭДС Е2 и Есм суммируются (с учетом фазы). Результирующая статическая характеристика датчика с обмоткой смещения показана на рис. 6.9, б.

Трансформаторные датчики с входным сигналом в виде углового перемещения часто выполняют в виде электрических микромашин, известных под названием «вращающиеся трансформаторы» (ВТ). На статоре и роторе ВТ размещены по две взаимно перпендикулярные обмотки. Коэффициент взаимоиндукции ста-торных и роторных обмоток изменяется по синусоидальному зако-

                                                                     

Рис.    6.10.      Синусно-косинуеный вращающийся                 Рис.  6.11.     Линейный   вращающийся трансформатор

                          трансформатор

ну в зависимости от угла поворота а. В зависимости от схемы соединения обмоток различают синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) и линейные вращающиеся трансформаторы (Л ВТ).

Схема соединения обмоток СКВТ показана на рис. 6.10. Напряжение питания Ui подано на одну обмотку статора. С роторных обмоток снимаются два выходных сигнала U2 и U3, изменяющиеся соответственно по закону синуса и косинуса в функции угла поворота ротора. Если роторные обмотки подключить к каким-нибудь измерительным цепям, то по обмоткам пойдут токи нагрузки. Под влиянием токов нагрузки синусная и косинусная зависимости искажаются. Для устранения таких искажений выполняются так называемые операции симметрирования ВТ, заключающиеся в подборе соответствующих сопротивлений R1 (первичное симметрирование) и R2, R3 {вторичное симметрирование).

Выходные напряжения вторичных напряжений СКВТ могут быть записаны в виде U2=kU1 sin a; U3=kUi cos а. Коэффициент пропорциональности k зависит от соотношения витков w2/w1 = ==w3/w1 и при выполнении симметрирования не зависит от угла поворота а (обычно w2=w3).

Схема соединения обмоток ЛВТ показана на рис. 6.11. Зависимость выходного напряжения U2 от угла поворота ротора имеет вид

Для малых углов а можно принять sin а cosl, и зависимость £/г=/(а) принимает вид

т. е. выходное напряжение имеет линейную зависимость от угла а. Относительная приведенная погрешность ЛВТ при соответствующем выборе обмоточных данных в диапазоне углов а до 50° может не превышать 0,05%.

Для дистанционных передач угловых перемещений широко применяются также электромашинные элементы автоматики — сель-

сины. ини имеют однофазную об
мотку на статоре и трехфазную
обмотку синхронизации на роторе
(возможно и обратное расположе
ние обмоток). Сельсины могут ра
ботать в
индикаторном и транс
форматорном
режимах. На пере
дающей стороне устанавливается
сельсин-датчик, а на приемной —
сельсин-приемник, который дол
жен автоматически повторять
угол поворота сельсина-датчика.
В индикаторной схеме (рис.
6.12) обмотки возбуждения сель
сина-датчика и сельсина-приемни
ка подключаются к сети перемен-

ного тока, а обмотки синхронизации обоих сельсинов соединяются друг с другом проводами линий связи. ЭДС в каждой из фаз обмотки синхронизаци изменяется пропорционально косинусу угла между осью обмотки возбуждения и осью этой фазы. ЭДС фаз синхронизации датчика, ротор которого повернут на угол а, будут определяться уравнениями

ЭДС фаз синхронизации приемника, ротор которого повернут на угол р, будут определяться уравнениями

Под действием разности этих ЭДС по проводам линии связи между обмотками синхронизации пойдут токи

где z — сопротивление фаз приемника, датчика и линии связи. В сельсине-приемнике взаимодействие этих токов с магнитным потоком возбуждения вызывает появление вращающего момента

где ku — постоянный коэффициент, определяемый обмоточными и конструктивными данными сельсина.

Под действием этого момента сельсин-приемник поворачивается в то же положение, что и датчик, поскольку только при вращающий момент становится равным нулю. Вращающий момент воздействует и на вал сельсина-датчика, однако его угол поворота задан механизмом или чувствительным элементом, угловое перемещение которого подлежит контролю. Для сельсинной индикаторной схемы очень важной характеристикой является величина удельного синхронизирующего момента, т. е. момента на 1° рассогласования. Для сельсинов, используемых в промышленности, эта величина составляет (40-50) 10-4 Нм.

Для повышения вращающего момента используется трансформаторная схема включения сельсинов. В этой схеме обмотка возбуждения сельсина-приемника не подключается к сети, а с нее снимается напряжение, которое пропорционально синусу угла рассогласования. Это напряжение подается на усилитель, который питает электродвигатель, приводящий через редуктор сельсин-приемник в согласованное с сельсином-датчиком положение. Одновременно устанавливается в требуемое положение и нагрузка — тот производственный механизм, угловым перемещением которого требуется управлять на расстоянии. Такие автоматические устройства называются следящими системами: приемник как бы «следитэ за датчиком.

Наряду с контактными сельсинами большое распространение получили бесконтактные сельсины. В контактных сельсинах подключение обмоток ротора во внешнюю цепь осуществляется с помощью контактных колец и щеток. В бесконтактных сельсинах обмотки возбуждения и синхронизации размещены на статоре, а изменение магнитной связи между ними по синусоидальному закону обеспечивается с помощью безобмоточного ротора с неодинаковым магнитным сопротивлением по взаимно перпендикулярным осям. Надежность бесконтактных сельсинов существенно выше, чем контактных.

Трансформаторные датчики, так же как и индуктивные, часто используют с дифференциальной схемой включения обмоток. Если в дифференциальном индуктивном датчике с подвижным якорем использовалось два одинарных индуктивных датчика (см. рис. 6.3), а следовательно, и два сердечника, то в дифференциальном трансформаторном датчике возможно использование общего сердечника.

На рис. 6.13, а показана схема дифференциально-трансформаторного датчика с общим сердечником 1 и подвижным якорем 2, перемещающимися в горизонтальном направлении.

Сердечник Ш-образной формы набирается из тонких (толщиной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали. На среднем сердечнике размещена первичная обмотка w1 на двух крайних— вторичные обмотки w2, которые включены .встречно. Первичная обмотка w1 включается на напряжение переменного тока и создает магнитный поток Ф. Этот поток проходит через средний стержень и разветвляется в правый и левый сердечники пропорционально магнитным проводимостям зазоров под этими стержнями.

Магнитная проводимость воздушного зазора пропорциональна площади зазора s и обратно пропорциональна его длине  При перемещении якоря в горизонтальном направлении (рис. 6.13) изменяется не длина зазора, а его площадь s. При симметричном расположении якоря относительно сердечника магнитная проводимость зазора под левым стержнем сердечника (О]) равна проводимости под правым стержнем (Ga). Следовательно, одинаковы и магнитные потоки в стержнях, и соответствующие им ЭДС во вторичных обмотках: E1=E2.                  

Выходной сигнал датчика формируется в виде разности этих ЭДС, которая в данном случае равна нулю. При смещении сердечника под одним стержнем площадь зазора и соответствующая магнитная проводимость возрастают, а под другим — уменьшаются. Например, при перемещении якоря влево G1>G2 и через левый стержень проходит больший магнитный поток, чем через правый. Соответственно ЭДС вторичной обмотки на левом стержне становится больше ЭДС вторичной обмотки правого стержня: E,1>E2. Выходной сигнал датчика UВых1-Е2. При изменении направления смещения

якоря относительно среднего положения фаза выходного сигнала меняется на 180°. Статическая характеристика дифференциально-трансформаторного датчика показана па рис. 6.13, б.

Дифференциалыю-трансформаторпьш датчик плунжерного типа показан на рис. 6.14, а, б. На общем изоляционном каркасе размещены три катушечные обмотки: первичная w1 и две вторичные w2' и w2". Обе вторичные обмотки одинаковы, имеют одно и тоже число витков, намотаны проводом одного и того же диаметра. Внутри катушек перемещается цилиндрический сердечник (плунжер) из ферромагнитного материала. Обмотка w\ включена на напряжение переменного тока. Выходное напряжение снимается со встречно включенных обмоток w2' и w2". При нейтральном (среднем) положении сердечника наведенные во вторичных обмотках ЭДС равны 2'—Е2") и выходное напряжение U= Е2'-Е2"=0  При смещении сердечника от среднего положения равенство ЭДС нарушается и появляется выходное напряжение. Например, при перемещении сердечника вверх возрастает Е2' и убывает Е2". При перемещении сердечника вниз фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Статическая характеристика имеет такой же вид, как и для других конструкций дифференциально-трансформаторных датчиков (см. рис. 6.13, б). Дифференциально-трансформаторный датчик плунжерного типа может быть выполнен с разделительной трубкой (см, рис. 6.6), т. е. позволяет получить выходной сигнал о перемещении из зоны, где могут быть высокая температура, высокое давление или вакуум, вредные пары или излучение и т. п.

Дифференциально-трансформаторные датчики могут работать в широком диапазоне перемещений: от малых долей миллиметра до десятков сантиметров. Они имеют высокую чувствительность, точность и надежность. Для питания датчиков обычно используется сеть с промышленной частотой 50 Гц, но можно использовать и источники повышенной частоты (до 10 кГц), что позволяет повысить чувствительность и коэффициент преобразования.

                                           § 6.5. Магнитоупругие датчики

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте — физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала в зависимости от механических напряжений в нем. Магнитоупругие датчики используются для измерения силовых параметров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, механических напряжений и т. п.

конструктивно магнитоупругие датчики представляют магни-топровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопротивление сердечника , где l и 5 — длина и площадь сечения сердечника. Если к сердечнику приложено механическое усилие F, то магнитная проницаемость р изменится. Следовательно, изменятся и магнитное сопротивление сердечника, и индуктивность обмотки на сердечнике. Как видим, есть аналогия с индуктивными датчиками. В индуктивных датчиках также происходит изменение магнитного сопротивления, но за счет длины или сечения воздушного зазора. В магнитоупругих датчиках зазор не нужен, сердечники могут быть замкнутыми.

Так же как и индуктивные датчики, магнитоупругие датчики могут быть использованы в виде одинарных (рис. 6.15, а), трансформаторных (рис. 6.15, б), дифференциально-трансформаторных (рис. 6.15, в).

Зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений имеет нелинейный характер. Связано это как с нелинейностью кривой намагничивания, так и с нелинейной зависимостью деформаций от усилия. Нелинейность магнитоупругого эффекта выражена очень сильно. Например, в слабых магнитных полях магнитная проницаемость под действием механических напряжений возрастает, а в сильных полях — уменьшается. Однако при определенных значениях напряженности магнитного поля Н

Чувствительность магнитоупругого датчика    определяется   по формуле

к линейной зависимость изменения магнитной проницаемости . сердечника от относительной деформации или нормального механического напряжения  в зоне линейных деформаций. Наиболее заметен магнитоупругий эффект в пер-маллоевых (железокобальтовых и желе-зоникелевых) сплавах. На рис. 6.16 показана зависимость относительной магнитной проницаемости от изменения механического напряжения . Относительная деформация  в зоне упругих деформаций связана с механическим напряжением а через модуль упругости Е:

она может достигать значений 200—300. Зависимость индуктивности от механического напряжения в для магнитоупругого датчика по рис. 6.15, а показана на рис. 6.17.

В магнитоупругих датчиках, используемых в тензометрах, маг-нитопровод имеет отверстия, в которые наматываются обмотки. На рис. 6.18 показан магнитоупругий датчик с взаимно перпендикулярными обмотками. Первичная обмотка, проходящая через отверстия 1 и 2, при отсутствии механической нагрузки (F=0) создает магнитный поток Ф0, не сцепленный с витками вторичной обмотки, проходящей через отверстия 3 и 4.

Под действием усилия F в основном изменяется магнитная проницаемость в направлении сжатия, что вызывает поворот вектора магнитной индукции на угол а и одновременно изменение магнитного потока ФF. Этот поток уже пересекает плоскость вторичной обмотки, на выходе которой появляется ЭДС Е2.

Если до приложения усилия магнитный материал был изотропен (имел одинаковые магнитные свойства во всех направлениях), то при наличии усилия материал становится анизотропным. Угол поворота а вектора магнитной индукции достигает 10—12°.

К достоинствам магнитоупругих датчиков следует отнести высокую чувствительность и возможность измерения больших усилий (до нескольких тысяч тонн). В то же время магнитоупругие датчики имеют и следующие серьезные недостатки: 1) наличие температурной погрешности, вызванной влиянием температуры ок-

ружающей среды на магнитные свойства сердечника; 2) наличие погрешности, вызванной влиянием гистерезиса (как магнитного, так и механического, связанного с остаточной деформацией); 3) наличие погрешности, вызванной колебаниями напряжения питания.

Следует отметить, что в магнитоупругих датчиках имеет место и еще одно физическое явление — магнитострикционный эффект. Его действие обратно магнитоупругому эффекту: ферромагнитное тело, помещенное в магнитное поле, изменяет свои геометрические размеры, т. е. в нем появляются механические деформации.

В переменном магнитном поле и деформации будут переменными. А так как знак деформации не зависит от направления магнитного поля, то частота колебаний деформации будет в два раза выше частоты переменного тока. На этом принципе работают, например, магиитострикционные излучатели ультразвуковых колебаний.

§ 6.6. Индукционные датчики

Индукционные датчики предназначены для преобразования скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они относятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индук датчиков основан на законе электромагнитной индукции. Выходным сигналом индукционных датчиков является ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки.

Основным отличием индукционных датчиков от индуктивных является то, что в них используется постоянное магнитное поле, а не переменное (питание индуктивных датчиков осуществляется от

сети переменного тока). Постоянное магнитное поле в индукционных датчиках создается двумя способами: постоянными магнитами или катушкой, обтекаемой постоянным током.

На рис. 6.19, а показана схема датчика с обмоткой ш2, размещенной в воздушном зазоре, в котором постоянный магнитный поток Ф создается катушкой шь включенной на постоянное напряжение . При перемещении катушки в магнитном поле в ней индуцируется  ЭДС,  пропорциональная   скорости  перемещения:  Е =

где k — коэффициент пропорциональности,    зависящий

от числа витков w2 и конструктивных параметров датчика.

На рис. 6.19, б показан датчик, в котором постоянный магнитный поток создается с помощью постоянного магнита с полюсными наконечниками. ЭДС, индуцируемая во вращающейся катушке, пропорциональна скорости вращения й:

В обоих этих датчиках катушки подвижны, поэтому для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца со щетками.

 

Индукционный датчик может быть выполнен и другой конструкции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магнитом (рис. 6.19, в). Надежность при этом повышается за счет отсут-вия скользящего контакта.

Возможен и другой способ повышения надежности датчика по схеме рис. 6.19, б: и катушка, и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с вырезами (рис. 6.19, г) или иной элемент, имеющий существенно разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. Пои

вращении изменяется поток, пронизывающий плоскость катушки.

В датчиках (рис. 6.19, б, в, г) в качестве выходного сигнала можно использовать частоту ЭДС. Принцип их действия по существу таrой же, как у синхронных генераторов. Для измерения частоты вращения используются и спе-

циальные электрические машины малой мощности — тахогенера-торы.

Тахогенератор постоянного тока (рис. 6.20, а) имеет обмотку возбуждения, создающую при питании постоянным током магнитный поток Ф. При вращении якоря в нем создается ЭДС, пропорциональная частоте вращения n:E=kФn, где k — постоянная, определяемая конструкцией.

Напомним, что частота вращения п обычно выражается в об/мин и связана со скоростью вращения выражением

С помощью коллектора и щеток выходной сигнал подается на нагрузку в виде выпрямленного напряжения.

Тахогенератор переменного тока (рис. 6.20, б) имеет на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 90 эл. град. Одна обмотка включается в сеть переменного тока. При вращении ротора, выполненного в виде тонкостенного электропроводящего цилиндра, в другой обмотке наводится переменная ЭДС, которая пропорциональна частоте вращения п. Для повышения температурной стабильности в качестве материала полого ротора используется константан.

Тахогенераторы обладают высокой чувствительностью и мощностью выходного сигнала. Общим недостатком всех генераторных датчиков является зависимость выходного сигнала от сопротивления нагрузки.

Глава 7

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 7.1. Принцип действия

Работа пьезоэлектрического датчика основана на физическом явлении, которое называется пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект проявляется в некоторых кристаллах в виде появления на их гранях электрических зарядов разных знаков при сжатии кристалла в определенном направлении. Слово «пьезо» по-гречески означает «давлю». В  зависимости  от значения  силы

сжатия ^или растяжения; меняется количество зарядов, а следовательно, и разность потенциалов, замеренная между гранями. Пьезоэлектрические датчики относятся к генераторному типу. Широко известны пьезоэлектрические звукосниматели: игла звукоснимателя воспринимает все изменения глубины звуковой дорожки и передает их на пьезокрис-талл. Выходное напряжение с пьезокрис-талла усиливается, и через динамик мы слышим записанные звуки. Появление зарядов на гранях в зависимости от сжатия называется прямым пьезоэффектом. Существует и обратный пьезоэффект: при подаче напряжения на грани кристалла изменяются его размеры (он сжимается или разжимается). Обратный пье-зоэлемент (наряду с магнитострикцион-ным, упомянутым в § 6.6) нашел применение в ультразвуковых генераторах. А основанные на прямом пьезоэффекте пьезоэлектрические датчики используются в автоматике для измерения давлений, вибраций, ускорений, других параметров быстропротекающих процессов.

Рассмотрим появление зарядов на гранях кристалла кварца, у которого пьезоэлектрический эффект достаточно сильно выражен. На рис. 7.1 изображен кристалл кварца, который имеет вид шестигранной призмы. В кристалле можно выделить три оси симметрии: Z — продольная ось, называемая оптической осью; X— поперечная ось, проходящая через ребра призмы перпендикулярно продольной оси; У—поперечная ось, проходящая через грани призмы перпендикулярно им и осям Z, X. Ось X называется электрической осью, ось У—механической илинейтральной.

Использование двух (а иногда и больше) пластин повышает выходную ЭДС, поскольку выходные сигналы пластин складываются.

На рис. 7.3 показан пьезоэлектрический датчик ускорения, используемый в виброизмерительной аппаратуре. Пьезоэлемент 1 из титаната бария расположен в корпусе прибора 2 между инерционной массой 3 и подпятником 4. Для увеличения силы, действующей

на пьезоэлемент при ускорениях, инерционная масса имеет относительно большие размеры и изготовлена из вольфрама. Пакет из инерционной массы 3, пьезоэлемента / и подпятника 4 прижат к основанию корпуса гайкой 5 через сферическую пяту 6, изоляционную прокладку, пружинную шайбу и контактную пластину. Вывод сигнала выполнен с помощью специального антивибрационного кабеля. Датчик измеряет ускорения от 0,2 до 200 g. Коэффициент преобразования порядка 8 мВ на 1 g. Минимальная частота виброускорений 5 Гц.

§ 7.3. Чувствительность пьезодатчика и требования к измерительной цепи

Пьезоэлектрический датчик подобен электрическому конденсатору. Количество электричества q, появившееся под воздействием механической силы, заряжает грани пьезоэлемента и соединенные с ним проводники до напряжения U, определяемого как Uq/C, где С — емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлемента). Чувствительность датчика определяется как приращение выходного напряжения, соответствующее изменению силы F. При параллельном соединении п пластин их емкость складывается. Чувствительность пьезодатчика в этом случае

где п — количество пластин; Ко — пьезоэлектрический модуль материала пластины; Свх — емкость измерительной цепи; С0 — емкость одной пластины.

Емкость одной пластины датчика толщиной  d и площадью   s можно определить как емкость  плоскопараллельного     конденса-

где ео — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; ео=8,8510-12 Ф/м. Емкость пьезоэлемента С на практике бывает невелика и выражается в пикофарадах (1 пФ=10-12 Ф). Выходной сигнал пьезодатчика U=SnF, где F— измеряемая сила.

Заряженный до напряжения U конденсатор будет разряжаться через сопротивление датчика R0 и сопротивление измерительной цепи /?вх. Для уменьшения скорости разряда необходимо стремиться к увеличению постоянной времени цепи разряда Т= (Ro/n+Rbx) X Х(nСо + СВх). При практически реализуемых значениях сопротивления датчика Ro (десятки и сотни МОм) и его емкости Со (десятки пФ) надо обеспечить очень большое входное сопротивление измерительной цепи. Для этого используются специальные электронные лампы, называемые электрометрическими. Электрометрические схемы могут обеспечить входное сопротивление измерительной цепи до 1013 Ом. Для увеличения постоянной времени разряда параллельно датчику иногда включают конденсатор. Применение измерительных цепей с очень большим входным сопротивлением позволяет снизить нижнюю границу частоты входных сигналов до нескольких герц.

При измерении высокочастотных (быстроизменяющихся) ударных нагрузок и ускорений пьезоэлектрические датчики имеют преимущество перед датчиками других типов.

Глава 8

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ

§ 8.1. Принцип действия. Типы емкостных датчиков

Работа емкостных датчиков заключается в преобразовании измеряемой величины в емкостчое сопротивление. Поэтому емкостные датчики относятся к параметрическим. Принцип действия емкостных датчиков основан на зависимости емкости конденг сатора от размеров обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости среды между обкладками.

Емкость конденсатора, имеющего две плоские обкладки,

Из (8.1) следует, что изменение емкости конденсатора может происходить из-за изменения любой из трех величин: d, s, . Наибольшее распространение получили емкостные датчики, измеряющие линейные перемещения. На рис. 8.1, а, б показаны схема емкостного датчика линейного перемещения  и зависимость емкости

датчика от входного сигнала — перемещения х.

На рис. 8.2, а, б показаны схема емкостного датчика углового перемещения   и   зависимость емкости датчика  от входного сигнала — угла поворота а. В этом датчике емкость изменяется из-за изменения площади взаимного перекрытия двух обкладок — пластин 1 и 2. Одна из пластин   (1)   неподвижна, другая (2)  — может поворачиваться на оси относительно пластины /. Расстояние между пластинами не меняется, при повороте пластины 2 меняется активная площадь между пластинами 1 и 2 (на рис. 8.2, а отмечена штриховкой).

На рис. 8.3 показан емкостный датчик уровня. В этом датчике емкость изменяется в зависимости от уровня жидкости, поскольку изменяется диэлектрическая проницаемость среды между неподвижными пластинами.

Емкостные датчики используются в цепях переменного тока. Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте питания: Хс= 1/, где — угловая частота; f — частота, Гц.

При малой частоте питания емкостное сопротивление настолько велико, что изменение тока в цепи с емкостным датчиком очень трудно зафиксировать даже высокочувствительным прибором. Применение емкостных датчиков предпочтительнее при питании повышенной частотой (400 Гц и больше).  § 8.2. Характеристики и схемы включения емкостных датчиков

Чувствительность емкостного датчика определяется как отношение приращения емкости к вызвавшему это приращение изменению измеряемой величины. Для простого плоского двухобкла-дочного емкостного датчика линейного перемещения с воздушным зазором емкость

где d—начальное расстояние между пластинами площадью s.

Начальное расстояние dBa4 выбирается по конструктивным соображениям, но оно не должно быть меньше некоторого значения, при котором возможен электрический пробой конденсатора. Для воздуха пробивное напряжение составляет порядка 3 кВ на 1 мм. Минимальное расстояние воздушного промежутка в высокочувствительных емкостных микрометрах принимают порядка 30 мкм. Чувствительность плоского емкостного датчика получаем дифференцированием уравнения (8.2):

Чувствительность, как следует из (8.3) и графика (рис. 8.1, б), не постоянна в диапазоне возможных перемещений х. Она максимальна при малых входных сигналах (когда пластины расположены близко друг к другу) и быстро уменьшается при удалении пластин.

При включении емкостного датчика в измерительную мостовую схему переменного тока чувствительность измерения можно увеличить повышением напряжения питания моста (см. гл. 2). Однако и здесь необходимо иметь в виду опасность пробоя между пластинами. Для значительного увеличения напряжения питания между обкладками конденсатора помещают тонкую слюдяную пластинку. Для повышения чувствительности измерительной схемы с емкостным датчиком необходимо повышать частоту питающего напряжения. Однако при этом необходимы специальные меры по экранированию схемы и подводящих проводов для уменьшения погрешности измерения, вызванной токами утечки и токами наводки.

В емкостном датчике давления (рис. 8.4) одной из обкладок конденсатора является плоская круглая мембрана 1, воспринимающая давление Р. Другая обкладка 2 датчика неподвижна и имеет такой же радиус R, что. и мембрана /. Между обкладками конденсатора имеется начальный воздушный промежуток dнач. Под воздействием измеряемого давления Р мембрана прогибается, причем наибольшее перемещение имеет центр мембраны. Неравномерное изменение воздушного промежутка между пластинами затрудняет вывод формулы для емкости такого датчика. Приведем  ее в окончательном виде

Непосредственное объединение чувствительного элемента (мембраны) с датчиком без промежуточных кинематических элементов

Энергия электрического поля в конденсаторе

.

Сила,   действующая на пластины, определяется   как производная энергии по перемещению:

Для повышения точности и чувствительности, а также с целью уменьшения влияния механических сил емкостный датчик можно выполнить дифференциальным (рис. 8.5) и включить в мостовую схему.

Дифференциальный емкостый датчик представляет собой плоский конденсатор с металлической обкладкой 1, на которую действует измеряемая сила F. Обкладка 1 закреплена на упругой подвеске 6 и под действием силы F перемещается параллельно самой себе.

Две неподвижные обкладки 2 и 3 изолированы от корпуса специальными прокладками 4 и 5. При отсутствии силы F обкладка 1 занимает симметричное положение относительно неподвижных обкладок 2, 3. При этом емкость конденсатора, образованного пластинами 1 и 2, равна емкости конденсатора, образованного пластинами 1 и 3: C1-2 = C1-3 = C. Под воздействием измеряемой силы F, преодолевающей противодействие упругой подвески 6, обкладка 1 перемещается и емкости верхнего и нижнего конденсаторов получают приращения разных знаков:

Поскольку эти емкости включены в смежные плечи мостовой схемы, чувствительность измерительной схемы возрастает вдвое (см. гл.2). Силы, действующие между парами обкладок, направлены противоположено друг другу, т. е. взаимно компенсируются.

Питание моста осуществляется от генератора высокой частоты (ГВЧ). Частота питания составляет несколько килогерц. Напряжение в измерительной диагонали моста зависит от измеряемой силы. При изменении направления силы изменяется фаза выходного напряжения на 180°.

Для повышения чувствительности емкостных датчиков углового перемещения с изменяющейся площадью взаимного перекрытия пластин по рис. 8.2 применяют систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин. Такие воздушные конденсаторы переменной емкости применяются, например, для настройки радиоприемников.

Если пластины имеют форму половины круга (как на рис. 8.2), а ось вращения подвижных пластин проходит через центры окружности всех пластин, то емкость датчика изменяется в зависимости от угла поворота:

где п — общее количество неподвижных и подвижных пластин; s — площадь взаимного перекрытия пластин при а = 0 (подвижные пластины полностью вдвинуты между неподвижными); d — посто-: янное расстояние между подвижными и неподвижными пластинами.

Диапазон изменения угла поворота а от 0 до 180°. Все подвижные пластины электрически соединены между собой, а все неподвижные также соединены между собой. Таким образом, имеется параллельное соединение конденсаторов, при котором общая емкость, как известно, равна сумме емкостей параллельно соединенных конденсаторов.

Чувствительность такого датчика определяется как изменение емкости при повороте на 1°, т. е.

Датчики угловых перемещений используют в мостовых измеритель
ных схемах. Для повышения чувствительности возможно примене
ние дифференциального датчика, показанного на рис. 8.6. При
повороте по часовой стрелке подвижной пластины 1 увеличивается емкость между этой пластиной и неподвижной пластиной
2 и уменьшается емкость между пластиной / и неподвижной пластиной 5.

Дифференциальная схема, как уже отмечалось, обеспечивает компенсацию противодействующего момента, поскольку суммарная емкость датчика остается неизменной.

На рис. 8.7 показан емкостный датчик с цилиндрическими обкладками, применяемый для измерения уровня токонепроводящей

жидкости или сыпучих тел. Одной обкладкой может служить металлический бак или резервуар с внутренним радиусом ги вторая обкладка выполнена в виде металлического стержня или цилиндра с наружным радиусом г2. Если резервуар заполнен до уровнях жидкостью с диэлектрической проницаемостью еи, то емкость датчика можно представить как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов:

где Сх — емкость нижней части резервуара, заполненной жидко-костью; CL-x — емкость верхней части резервуара, заполненной воздухом. Чувствительность такого датчика тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость и материала, уровень которого измеряется.

Общая формула для емкости конденсатора с цилиндрическими обкладками

где l— длина оокладок.

Для емкости нижней части датчика

Для емкости верхней части датчика

Подставляя (8.11) и (8.12) в (8.9), получим

где L — высота обкладок датчика, т. е. максимальный уровень заполнения резервуара.

Чувствительность датчика определяем, дифференцируя   (8.13) по уровню,

Из уравнения (8.14) видно, что чувствительность датчика постоянна во всем диапазоне измерений. При измерении уровня химически агрессивных жидкостей наружная и внутренняя обкладки покрываются защитным покрытием. Из-

мерение уровня с помощью емкостных датчиков используется в космической и авиационной технике, химии, нефтехимии, других отраслях промышленности.

Емкостные датчики нашли применение также для автоматического измерения толщины различных материалов и покрытий в процессе их изготовления.

Рассмотрим емкостный датчик (рис. 8.8) для измерения толщины материала из диэлектрика (например, изоляционной ленты). Между неподвижными обкладками конденсатора 1 протягивается с помощью роликов 2 контролируемый материал 3.

Емкость датчика, представляющего собой плоский двухобкла-дочный конденсатор с двухслойным диэлектриком,

где s — площадь обкладок;   d — расстояние   между   обкладками;  — толщина контролируемого    материала;   и — диэлектрическая проницаемость контролируемого материала. Чувствительность датчика

Чем меньше разница между d и , чем больше диэлектрическая проницаемость материала еи. тем выше чувствительность. Повысить чувствительность измерения с помощью емкостных датчиков можно за счет выбора соответствующей измерительной схемы.

Включение емкостного датчика в мостовую схему (см. рис. 8.5), питаемую от источника повышенной частоты, позволяет зафиксировать изменения емкости на 0,1%. Более высокую чувствительность позволяет получить так называемая резонансная схема. В этом случае емкостный датчик включается в колебательный контур совместно с индуктивным сопротивлением. Резонансная схема показана на рис. 8.9, а. Высокочастотный генератор 1 имеет частоту напряжения fr и питает индуктивно связанный с ним контур, со-

стоящий из индуктивности Lн, подстроечного конденсатора С0 и емкостного датчика Сд. Напряжение Uк, снимаемое с контура, усиливается усилителем 2 и измеряется прибором 3, шкала которого может быть проградуирована в единицах измеряемой величины. При помощи подстроечного конденсатора С0 контур настраивается на частоту f0, близкую (но не равную) к частоте генератора.

Настройка производится при средней емкости датчика в диапазоне возможных изменений измеряемой величины

В результате настройки напряжение Upснимаемое с контура, должно быть примерно вдвое меньше (точка Б на рис. 8.9, б), чем напряжение при резонансе Up (точка О на рис. 8.9, б). Таким образом, рабочая точка Б будет находиться примерно посередине одного из склонов резонансной характеристики. Этим обеспечиваются высокая чувствительность измерения (до 0,001%) и примерно линейная шкала измерительного прибора 3. Малейшее перемещение подвижной пластины датчика Сд приводит к резкому изменению напряжения контура. Уменьшение емкости (СяоС) приводит к резкому увеличению напряжения, увеличение емкости (Сд0+С)— к резкому уменьшению напряжения. При выборе рабочей точки на левом склоне резонансной характеристики (с помощью подстроенного конденсатора) уменьшение емкости приводит к уменьшению напряжения, и наоборот.

Резонаненая частота контура определяется из условия резонанса   (равенства емкостного   и   индуктивного   сопротивлений)

Резонансная кривая идет тем круче, чем меньше активная составляющая сопротивления контура.

Глава 9

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

§ 9.1. Назначение. Типы терморезисторов

Терморезисторы относятся к параметрическим датчикам температуры, поскольку их активное сопротивление зависит от тем-гературы. Терморезисторы называют также термометрами сопротивления или термосопротивлениями. Они применяются для !змерения температуры в широком диапазоне от —270 до 1600°С.

Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Так как интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой сходится терморезистор, от скорости перемещения терморезистора относительно газовой или жидкой среды, то терморезисторы используются и в приборах для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Различают металлические и полупроводниковые терморезисторы. Металлические терморезисторы изготовляют из чистых металлов: меди, платины, никеля, железа, реже из молибдена и вольфрама. Для большинства чистых металлов температурный коэффициент электрического сопротивления составляет примерно (4—6,5)10-3 1/°С, т. е. при увеличении температуры на 1°С со-противление металлического терморезистора увеличивается на 0,4— 0,65%. Наибольшее распространение получили медные и платиновые терморезисторы. Хотя железные и никелевые терморезисторы имеют примерно в полтора раза больший температурный коэффициент сопротивления, чем медные и платиновые, однако применяются они реже. Дело в том, что железо и никель сильно окисляются и при этом меняют свои характеристики. Вообще добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает температурный коэффициент сопротивления. Сплавы металлов и окисляющиеся металлы имеют низкую стабильность характеристик. Однако при необходимости измерять высокие температуры прихо

дится применять такие жаропрочные металлы, как вольфрам и
молибден, хотя терморезисторы из них имеют характеристики не
сколько отличающиеся от образца к образцу. '

Широкое применение в автоматике получили полупроводнико
вые терморезисторы, которые для краткости называют
термисто-
рами.
Материалом для их изготовления служат смеси оксидов мар
ганца, никеля и кобальта; германий и кремний с различными пои-
месями и др.
к

По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют меньшие размеры в большие значения номинальных сопротивлений. Термисторы имеют на порядок больший температурный коэффициент сопротивления (до —6 10-2 1/°С) Но этот коэффициент —отрицательный, т. е. при увеличении температуры сопротивление термистора уменьшается. Существенный недостаток полупроводниковых терморезисторов по сравнению с металлическими—непостоянство температурного коэффициента сопротивления. С ростом температуры он сильно падает, т. е. термис-тор имеет нелинейную характеристику. При массовом производстве термисторы дешевле металлических терморезисторов, но имеют больший разброс характеристик.

§ 9.2. Металлические терморезисторы

Сопротивление металлического проводника R зависит от температуры:

где С — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров проводника; а —температурный коэффици-ент сопротивления; е — основание натуральных логарифмов.

Абсолютная температура (К) связана с температурой в градусах Цельсия соотношением Т К=273+Т°С.

Определим относительное изменение сопротивления проводника при его нагреве. Пусть сначала проводник находился при начальной температуре Т0 и имел сопротивление . При нагреве до температуры Т его сопротивление RT = T. Возьмем отношение

 Известно, что функцию вида е* можно разложить в степенной ряд:

 Так как величина а для меди сравнительно мала и в диапазоне температур до +150°С может быть принята постоянной а=4,3-10-з 1/°с, то и произведение а (Г— Т0) в этом диапазоне температур меньше единицы. Поэтому не будет большой ошибкой пренебречь при разложении членами ряда второй степени и выше сопротивление при температуре Т через начальное сопротивление при То

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные)   с соответствующей   градуировкой:

Медные терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСМ (термосопротивления медные)   с соответствующей   градуировкой:

гр. 23 имеет сопротивление 53,00 Ом при 0°С; гр. 24 имеет сопротивление 100,00 Ом при 0°С. Медные терморезисторы выполняются из проволоки диаметром не менее 0,1 мм, покрытой для изоляции эмалью.

Для платиновых терморезисторов, которые применяются в более широком диапазоне температур, чем медные, следует учитывать зависимость температурного коэффициента сопротивления от температуры. Для этого берется не два, а три члена разложения в степенной ряд функции е*.

В диапазоне температур от —50 до 700°С достаточно точное является формула

где для платины =3,94 10-3 1/°С,  = 5,8 10-7 (1/°С)2.

Платиновые терморезисторы выпускаются серийно и обозначаются ТСП (термосопротивления платиновые) с соответствующей градуировкой; гр. 20 имеет сопротивление 10,00 Ом при 0°С, гр. 21—46,00 Ом; гр. 22—100,00 Ом. Платина применяется в виде неизолированной проволоки диаметром 0,05—0,07 мм.

В табл. 9.1 приведены зависимости сопротивления металлических терморезисторов от температуры; они называются стандартными градуировочными таблицами.

На рис. 9.1 показано устройство платинового термометра сопротивления. Сам терморезистор выполнен из платиновой проволоки 1, намотанной на слюдяную пластину 2 с нарезкой. Слюдяные накладки 3 защищают обмотку и крепятся серебряной лентой 4. Серебряные выводы 5 пропущены через фарфоровые изоляторы 6. Термосопротивление помещается в металлический защитный чехол 7.

§ 9.3. Полупроводниковые терморезисторы

Сопротивление полупроводниковых терморезисторов (термисторов) резко уменьшается с ростом температуры. Их чувствительность значительно выше, чем металлических, поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводниковых терморезисторов примерно на порядок больше, чем у металлических. Если для металлов = (4-6)*10-3 1/°С, то для полупроводниковых терморезисторов ||>4*10-2 1/°С. Правда, для термисторов этот коэффициент непостоянен, он зависит от температуры и им редко пользуются при практических расчетах.

Основной   характеристикой   терморезистора   является   зависимость его сопротивления от абсолютной температуры Т:

где А — постоянный коэффициент, зависящий от материала и конструктивных размеров термистора; В — постоянный коэффициент, зависящий от физических свойств полупроводника; е — основание натуральных логарифмов.

Сравнение формулы (9.6) с формулой (9.1) показывает, что у термисторов с ростом температуры сопротивление уменьшается, а у металлических терморезисторов — увеличивается. Следовательно, у термисторов температурный коэффициент сопротивления имеет отрицательное значение.

Вообще чувствительность терморезистора (как датчика температуры) можно оценить как относительное изменение его сопротивления (R/R), деленное на вызвавшее это изменение приращение температуры:

Для металлического терморезистора чувствительность можно получить дифференцируя (9.4). Следовательно, , т. е. именно температурный коэффициент сопротивления определяет чувствительность.

Для полупроводникового терморезистора   (термистора)   чувствительность получим, дифференцируя (9.6):

Из (9.9) видно, что чувствительность термистора имеет нелинейную зависимость от температуры.

Серийно выпускаются медно-марганцевые (тип ММТ) и кобаль-тово-марганцевые (тип КМТ) термисторы. На рис. 9.2 показаны зависимости сопротивления от температуры для термисторов этих типов и для сравнения — для медного терморезистора. Величина В для термисторов составляет 2—5 тыс. К (меньше — для ММТ, больше для КМТ).

Электрическое сопротивление термистора при окружающей температуре +20°С называют номинальным или холодным сопротивлением. Для термисторов типов ММТ-1, ММТ-4, ММТ-5 эта величина может составлять 1—200 кОм, а для типов КМТ-1, ММТ-4 — от 20 до 1000 кОм.

Верхний диапазон измеряемых температур для типа ММТ — 120°С, а для типа КМТ— 180°С.

Термисторы выпускаются в различных конструктивных исполнениях: в виде стерженьков, дисков, бусинок. На рис. 9.3 показаны некоторые конструкции термисторов.

Термисторы типов ММТ-1, КМТ-1 (рис. 9.3, а) внешне подобны высокоомным резисторам с соответствующей системой герметизации. Они состоят из полупроводникового стержня /, покрытого эма-

левой краской, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Термис-торы типов ММТ-4 и КМТ-4 (рис. 9.3, б) также состоят из полупроводникового стержня 1, контактных колпачков 2 с токоотводами 3. Кроме покрытия эмалью стержень обматывается металлической фольгой 4, защищен металлическим чехлом 5 и стеклянным изолятором 6. Такие термисторы применимы в условиях повышенной влажности.

На рис. 9.3, в показан термистор специального типа ТМ-54 — «Игла». Он состоит из полупроводникового шарика / диаметром от 5 до 50 мкм, который вместе с платиновыми электродами 2 впрессован в стекло толщиной порядка 50 мкм. На расстоянии около 2,5 мм от шарика платиновые электроды приварены к выводам 3 из никелевой проволоки. Термистор вместе с токоотводами помещен в стеклянный корпус 4. Термисторы типа МТ-54 обладают очень малой тепловой инерцией, их постоянная времени порядка 0,02 с, и они используются в диапазоне температур от —70 до 4-250°С. Малые размеры термистора позволяют использовать его, например, для измерений в кровеносных сосудах человека.

§ 9.4. Собственный нагрев термисторов

Термисторы применяются в самых различных схемах автоматики, которые можно разделить на две группы. В первую группу входят схемы с термисторами, сопротивление которых определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий при этом через термистор, настолько мал, что не вызывает дополнительного разогрева термистора. Этот ток необходим только для измерения сопротивления и для термисторов типа ММТ составляет около 10 мА, а для типа КМТ— 2—5 мА. Во вторую группу входят схемы с термисторами, сопротивление которых меняется за счет

собственного нагрева. Ток, проходящий через термистор, разогревает его. Поскольку   при повышении   температуры   сопротивление уменьшается, ток увеличивается, что приводит к еще большему выделению теплоты. Можно сказать, что в данном случае проявляется положительная обратная связь. Это позволяет получить в схемах с термисторами своеобразные характеристики релейного типа. На рис. 9.4, а показана вольт-амперная характеристика термис-тора. При малых токах  влияние собственного нагрева незначительно и сопротивление термистора практически остается постоянным. Следовательно, напряжение на термисторе растет пропорционально току (участок ОА). При дальнейшем увеличении тока (/>/доп) начинает сказываться собственный нагрев термистора, сопротивление его уменьшается. Вольт-амперная   характеристика изменяет свой вид, начинается ее «падающий» участок АБ. Этот участок используется для создания на базе термистора схем термореле, стабилизатора напряжения и др.

Резко выраженная нелинейность вольт-амперной характеристики термистора позволяет использовать его в релейном режиме. На рис. 9.4, б представлена схема включения, а на рис. 9.4, в — характеристика термистора в этом режиме. Если в цепи термистора от сутствует добавочное сопротивление(RДОБ0), то при некотором значении напряжения ток в цепи термистора резко увеличивается, что может привести к разрушению термистора (кривая UT на рис. 9.4, в). Для ограничения роста тока необходимо в цепь термистора RT включить добавочный резистор RДОБ (рис. 9.4, б) с прямолинейной характеристикой (кривая UR на рис. 9.4, в). При графическом сложении этих двух характеристик {Ut+Ur) получим общую вольт-амперную характеристику U0 (имеющую S-образный вид на рис. 9.4, в). Эта характеристика похожа на характеристику бесконтактного магнитного реле (см. гл. 26). Рассмотрим по этой характеристике процесс изменения тока I в цепи (рис. 9.4, б) при плавном увеличении напряжения питания U0 При достижении значения напряжения срабатывания Ucp (этому напряжению соответствует ток I1) ток скачком возрастает от значения 1\ до существенно большего значения /2. При дальнейшем увеличении напряжения ток будет плавно возрастать от I2. При уменьшении напряжения ток вначале плавно уменьшается до значения I3 (этому току соответствует напряжение отпускания U0T), а затем скачком падает до значения /4, после чего ток плавно уменьшается до-нуля. Скачкообразное изменение тока происходит не мгновенно, а постепенно из-за инерционности термистора.

§ 9.5. Применение терморезисторов

При использовани терморезисторов в качестве датчиков систем автоматики различают два основных режима. В первом режиме температура терморезистора практически определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий через терморезистор, очень мал и практически не нагревает его. Во втором режиме терморезистор нагревается проходящим по нему током, а температура терморезистора определяется изменяющимися условиями теплоотдачи, например интенсивностью обдува, плотностью окружающей газовой среды и т. п.

При использовании терморезисторов в первом режиме они играют роль датчиков температуры и называются обычно термометрами сопротивления. Наибольшее распространение получили термометры сопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные), включаемые в мостовую измерительную схему.

В процессе измерения температуры с помощью термометров сопротивления могут возникать следующие погрешности: 1) от колебания напряжения питания; 2) от изменения сопротивления соединительных проводов при колебаниях температуры окружающей среды; 3) от собственного нагрева датчика под действием протекающего через него тока.

Рассмотрим схему включения термометра сопротивления (рис. 9.5), в которой приняты меры для уменьшения отмеченных трех видов погрешностей. Для уменьшения погрешности от колебаний питания используется измерительный прибор логомет.-рического типа (см. гл. 2). Угол отклонения подвижной системы логометра пропорционален отношению токов в двух катушках, одна из которых создает вращающий, а вторая — противодействующий моменты. Через одну катушку проходит ток разбаланса, зависящий от сопротивлеия терморезистора Rt. Вторая катушка питается тем же напряжением, что и мостовая измерительная схема.

При колеоаниях напряжении питания

одновременно будут изменяться токи в обеих катушках, а их отношение будет оставаться постоянным.

В автоматических уровновешенных мостах колебание напряжения питания не приводит к появлению пропорциональной погрешности измерения, незначительно изменяется лишь порог чувствительности.

Для уменьшения погрешности от изменения сопротивления соединительных проводов необходимо правильно выбирать сопротивление датчика. Эта погрешность сводится к минимуму, если сопротивление датчика выбрать из условия намного больше Rпр, где Rпр — сопротивление соединительных проводов. При больших расстояниях (сотни метров) Rпр может достигать 3—5 ОмЛЕще одним способом уменьшения погрешности от температурных изменений со-

противления соединительных проводов является применение «п»-гопроводных схем. На рис. 9.5 показана схема включения датчика RД в мостовую схему посредством трех проводов (а, б, в). Сопротивления проводов а и б включены в смежные плечи моста, поэтому одновременное их изменение не нарушает равновесия моста. Сопротивление проводов b вообще не входит в мостовую схему. Погрешность за счет самонагрева датчика может быть учтена при градуировке шкалы измерительного прибора.

При быстром изменении температуры появляется динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией датчика. Передача теплоты от измеряемой среды к терморезистору происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени.

Для количественной оценки тепловой инерции датчика пользуются понятием «постоянная времени»:

коэффициент теплопередачи; s — поверхность соприкосновения датчика со средой.

Если холодный датчик поместить в среду с температурой Тср(°С), то его температура будет изменяться во времени по следующему закону:

Чем больше постоянная времени т, тем больше пройдет времени, пока температура датчика сравняется с температурой среды. За время датчик нагреется только до температуры Тср=0,63°С,

а за время / до температуры Т,ср=0>99оС. Графиком уравнения   (9.11)   является экспонента, показанная на  рис.   1.3, в.

Рассмотрим теперь некоторые примеры использования собственного нагрева терморезисторов в устройствах для измерения различных физических величин, косвенно связанных с температурой.

Автоматическое измерение скорости газового потока проводится с помощью термоапемометра. Датчик этого прибора (рис. 9.6, а) состоит из терморезистора, представляющего собой тонкую платиновую проволоку /, припаянную к двум манганиновым стержням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 терморезистор включается в измерительную схему. Через терморезистор пропускается ток, вызывающий его нагрев. Но температура (а следовательно, и сопротивление) терморезистора будет определяться скоростью газового потока, в который помещен датчик. Чем больше будет эта скорость, тем интенсивнее будет отводиться теплота от терморезистора. На рис. 9.6, б показана градуи-ровочная кривая термоанемометра, из которой видно, что при увеличении скорости примерно вдвое сопротивление терморезистора уменьшается примерно на 20%.

На аналогичном принципе основана работа электрического газоанализатора. Если взять два одинаковых саморазогреваемых терморезистора и поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой — в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым газом СО2, то из-за различной теплопроводности воздуха и углекислого газа сопротивление терморезисторов будет разным. Так как теплопроводность углекислого газа значительно меньше теплопроводности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в камере с С02 будет меньше, чем от терморезистора в камере с воздухом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о процентном содержании углекислого газа в газовой смеси.

Зависимость теплопроводности газа от его давления позволяет использовать терморезисторы с собственным нагревом в элек- • трическнх вакуумметрах. Чем глубже вакуум ( т. е. более разрежен газ), тем хуже условия теплоотдачи с поверхности терморезистора, помещенного в вакуумную камеру. Если через терморезистор пропускать ток для его нагрева, то температура терморезистора будет возрастать при уменьшении давления контролируемого газа.

Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять процентное содержание газов в смеси. Кроме платины в таких приборах используют вольфрам, никель, полупроводниковые терморезисторы. Для того чтобы исключить влияние колебаний температуры окружающей среды, стремятся обеспечить достаточно интенсивный собственный нагрев (до 200—500°С).

        Глава 10 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 10.1. Принцип действия

Термоэлектрические датчики относятся к датчикам генераторного типа. Их работа основана на одном из термоэлектрических явлений — появлении термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС).

Сущность этого явления заключается в следующем. Если составить электрическую цепь из двух разнородных металлических проводников (или полупроводников), причем с одного конца проводники спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи возникает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, неспаянных концов). Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным. Цепь, составленная из двух разнородных материалов, называется термопарой; проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами; места соединения термоэлектродов —спаями. Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, от носительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным. Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС. По значению этой термоЭДС можно определить температуру.

Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные электроны хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов   кристаллической     решетки.   В разных   металлах

свободные электроны обладают при одной и той же температуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (электродов) свободные металлы из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свободных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией   свободных   электро-

нов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (01=  02 на рис. 10.1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае / направлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если нагреть один из спаев (рабочий) до температуры 01>02, то контактная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изменения. В результате в контуре и возникает термоЭДС, тем большая чем больше разность температур спаев 1 и 2 (0,—82).

Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь  термопары включают измерительный прибор (например, милливольтметр). Милливольтметр включают, разомкнув свободный спай (рис. 10.1, б), либо в разрыв одного из термоэлектродов (рис.10.1, в). Как видно из схем включения измерительного прибора в случае разомкнутого свободного спая (рис. 10.1, б) у термопары три спая: один горячий 1 и два холодных 2 и 3, которые должны иметь постоянную температуру. При включении милливольтметра в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 10.1, в) имеется четыре спая: один горячий /, один холодный 2 (он должен иметь постоянную температуру), два нейтральных 3 и 4 (они должны находиться при одинаковой, но не обязательно постоянной температуре). Для обеих схем термоЭДС и показания прибора будут одинаковыми, если соответственно одинаковыми будут температуры горячих и' холодных спаев. В этом нетрудно убедиться, если составить уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого из контуров.

Способ изготовления спая (сваркой, спайкой и т. п.) на термо-ЭДС не влияет, если только размеры спая таковы, что температура его во всех точках одинакова.

ТермоЭДС, вырабатываемая термопарой, составленной из электродов А и В, является разностью двух термоЭДС:  —тер-моЭДС горячего спая при температуре —термоЭДС холодного спая при температуре 02, т. е.

Значения термоЭДС и ее направление зависят от материалов электродов А и В.

В табл. 10.1 приведены термоЭДС для разных материалов в паре с платиной при температуре горячего спая 100°С (373 К) и температуре холодного спая 0°С (273К). Знак плюс перед термоЭДС означает, что в холодном спае ток идет по направлению к платиновому электроду.

Если составить термопару из материалов, которые по отношению к платине имеют термоЭДС разных знаков, то термоЭДС такой термопары будет равна сумме термоЭДС материалов по отношению к платине. Например, из табл. 10.1 берем данные для термоЭДС меди в паре с платиной +0,76 мВ и термоЭДС сплава копель в паре с платиной — 4,0 мВ. Термопара медь-копель на основании уравнения (10.1) будет иметь термоЭДС ЕАВ — 0,76— (—4) = = +4,76 мВ. Материалы для термопар следует подбирать таким образом, чтобы термоЭДС имели достаточно большие значения, обеспечивающие высокую чувствительность измерения.

§ 10.2. Материалы, применяемые для термопар

К материалам для термоэлектродов термопар кроме требования получения большого значения термоЭДС предъявляются и другие требования. Пожалуй, наиболее важным из них является обеспечение взаимозаменяемости.   Это означает,  что  термопары

одного и того же типа должны иметь при одинаковых температурах одну и ту же термоЭДС. В этом случае замена термопары не должна привести к перенастройке или переградуировке измерительного прибора. Поскольку термопары часто используются в очень тяжелых условиях (высокие температуры, агрессивная среда и т. п.), порой их необходимо менять уже через 1—2 тыс. ч. А измерительные приборы способны работать годами, их менять при замене термопары нецелесообразно. К тому же в промышленности получили большое распространение так называемые обегающие системы автоматического контроля, когда на один и тот же измерительный прибор последовательно подаются сигналы от нескольких десятков термопар, контролирующих температуру в разных местах. Поэтому необходима стабильность и повторяемость свойств термопар. В табл. 10.2 приведены основные типы термопар, выпускаемых серийно, и их характеристики. В паре материалов первым указан положительный электрод

В зависимости от материала электродов термопары, получившие практическое применение, разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов.

Наибольшее распространение из первой группы получила термопара типа ТПП. Один электрод ее изготовлен из платинородия (90% платины и 10% родия), другой — из чистой платины. Эта термопара может использоваться как образцовая. Достоинствами ее являются химическая стойкость к окислительной среде, взаимозаменяемость термоэлектродов, повторяемость характеристик. Не достаток—малое значение термоЭДС. Термопара типа lllll может длительно работать при температуре 1300°С, термоЭДС ее при этой температуре составляет 13,152 мВ.

Для более высоких температур (длительно — до 1600°С, кратковременно—до 1800°С) применяется термопара ТПР. Один электрод—платинородий (70% платины и 30% родия), другой  элек-

трод также платинородий (94% платины и 6% родия). При температуре 1800°С термоЭДС составляет 13,927 мВ.

Существенно большие значения термоЭДС имеют термопары из неблагородных металлов, материалом для электродов которых служат специально разработанные сплавы: хромель (89% никеля, 9,8% хрома, 1% железа, 0,2% марганца), алюмель (94% никеля, 2,5% марганца, 2% алюминия, 1% кремния, 0,5% железа), копель (55% меди, 45% никеля).

Наибольшее распространение получили термопары типа ТХА (хромель-алю-мель) и типа ТХК (хромель-копель). Зависимость термоЭДС этих термопар от температуры показана на рис. 10.2. Хро-

мель-алюмелевые термопары применяют дли измерении icmncpa-тур в пределах от —50 до 1000СС. Они способны работать в окислительной среде, поскольку образуемая при нагреве тонкая защитная пленка препятствует проникновению кислорода внутрь металла. Зависимость термоЭДС от температуры для термопар ТХА близка к линейной. Хромель-копелевые термопары имеют самую высокую чувствительность: 6,95 мВ на 100°С. Однако диапазон измеряемых температур (от —50 до 600°С) несколько ниже, чем у термопар типа ТХА. Несколько хуже у термопар типа ТХК и линейность характеристики. Их достоинством является более высокая влагостойкость.

Термопара типа ТНС (электроды выполнены из сплавов НС-СА) применяется в диапазоне температур от 300 до 1000°С. ТермоЭДС ее невелика — всего 13,39 мВ при 1000°С. Но характерной особенностью этой термопары является то, что на точность ее работы почти не влияет температура холодного спая. Объясняется это тем, что термоЭДС термопары типа ТНС в диапазоне низких температур (до +200°С) практически близка к нулю. Следовательно, изменения температуры холодного спая, вызванные обычными погодными колебаниями в помещении и даже на улице, почти не влияют на результаты измерения.

Кроме перечисленных материалов для термопар используются и другие, менее распространенные, но имеющие    свои достоинства.

Для измерения высоких температур применяют термопару из тугоплавких металлов — вольфрама и молибдена. Достоинством термопар медь-копель и железо-копель является низкая стоимость.

Конструктивно термопары выполняются в специальной арматуре, обеспечивающей защиту электродов от действия горячих химически агрессивных газов и паров, электрическую изоляцию выводов. Для защиты термопар из неблагородных металлов применяют стальные трубки диаметром 21 мм и с максимальной глубиной погружения до 2 м.

Для защиты термопар из благородных металлов применяются кварцевые и фарфоровые трубки диаметром 8 и 20 мм. Для изоляции используют асбест (до 300°С), кварц (до 1000°С), фарфор (до 1400°С).

Так как термопары являются датчиками генераторного типа, то их в принципе можно использовать и для получения электроэнергии. Измерительные термопары для этой цели практически непригодны, поскольку их термоЭДС невелика. Но термопары с электродами из полупроводниковых материалов имеют термоЭДС, на порядок большую (до 65 мВ на 100°С). С помощью таких термопар может осуществляться, например, и преобразование солнечной энергии в электрическую. Нашли применение они в быту: термогенераторы используются для -питания радиоприемников. КПД полупроводниковых термоэлементов достигает 10%. Для целен измерения полупроводниковые термопары пока не применяются из-за нелинейности характеристики, малой механической прочности и сравнительно малого (до 500°С) температурного диапазона.

§ 10.3. Измерение температуры с помощью термопар

При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное измерение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод, рассмотренный в § 2.С

Так как значение термоЭДС, развиваемой термопарой, невелико, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувствительные милливольтметры, магнитоэлектрического типа. Приборы этого типа работают на основе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и измеряемого тока, протекающего по подвижной рамке. Для создания достаточного вращающего момента при весьма небольшом токе рамка выполняется из большого числа витков тонкого медного провода. Противодействующий момент создается спиральными пружинами, по которым и подводится ток в рамку. Шкала милливольтметра градуируется непосредственно в градусах и на ней указывается тип термопары, для которой предназначен данный милливольтметр.

Обозначим через Rв сопротивление милливольтметра, RT — сопротивление термопары, Ra — сопротивление соединительных про водов. Ток, проходящий по рамке милливольтметра под действием термоЭДС Ети,

Из этой формулы видно, что показания прибора зависят не только от термоЭДС Ети, но и от сопротивлений RB, Rt, Rn. Так как шкала прибора уже проградуирована для термопары определенного типа, то сопротивления Rt, и RB уже учтены при градуировке. А сопротивления внешней цепи также указываются на шкале (обычно 0,6; 5; 15 или 25 Ом).

Оценим показания прибора, шкала  которого  проградуирована

в милливольтах. Напряжение на его зажимах С учетом (10.2)

Обозначим внешнее сопротивление цепи из (10.3) термоЭДС

Из (10.4) видно, что измеряемое милливольтметром напряжение будет всегда меньше, чем ЭДС термопары, на UB(Rвн/Rн). Эта величина будет тем меньше, чем больше сопротивление милливольтметра RB по сравнению с внешним сопротивлением Rвн. Обычно милливольтметры имеют кроме сопротивления рамки еще добавочное сопротивление из манганина, что в сумме дает не менее 100 Ом.

Обычно градуировка термопар осуществляется при температуре холодного спая . На практике при измерении температуры 0i холодный спай имеет . Следовательно, по измеренной термо-ЭДС нельзя точно определить 8i. Необходимо вводить так называемую поправку на температуру холодных спаев. Существует несколько способов поддержания неизменной температуры холодных спаев. Например, можно поместить холодные спаи в ванну с тающим льдом, но это возможно лишь в лабораторных условиях или при наладке. Можно холодные спаи закапывать в землю на глубину нескольких метров, где температура довольно стабильна, или помещать холодные спаи в специальную коробку с тепловой изоляцией.

Если температура холодных спаев известна, то к показаниям измерительного прибора добавляют поправку, соответствующую термоЭДС при . Эту поправку следует брать из градуировочной кривой.

Поправку на температуру холодных спаев можно ввести и механическим путем: при отключенной термопаре сместить стрелку на шкале прибора на отметку, соответствующую температуре холодных спаев (обычно температуре окружающей среды). Применяют также схемы автоматической коррекции температурных погрешностей, в которых используются свойства терморезисторов изменять сопротивление в зависимости от температуры.

Рассмотрим принципиальную схему включения термопары и милливольтметра (рис. 10.3). Измерительный прибор может находиться на довольно значительном удалении от термопары. Длина соединительных проводов может составлять несколько метров. В местах присоединения этих проводов также возникают термоЭДС.

Для точной компенсации этих термоЭДС необходим определенный подбор материалов проводов и термопар. Для присоединения термопар служат специальные так называемые компенсационные провода. Каждой паре материалов компенсационных проводов присваивают буквенное обозначение, а каждому материалу придают определенную расцветку, для чего используют оплетку из цветном' пряжи или цветные опознавательные нити, проложенные в проводе.

Для термопар типа ТПП применяют компенсационные провода с обозначением П в красной и зеленой оплетке с зелено-белыми нитями внутри. Материал провода — медь в паре с медно-нике-лгным сплавом. Для термопар типа ТХА применяют провода с обозначением М в красной и коричневой оплетке с красно-белыми нитями из меди в паре с константаном. Для термопар ТХК применяют провода с обозначением ХК в фиолетово-желтой оплетке с нитями такого же цвета и материалом хромель-копель, т. е. компенсационными проводами могут быть и основные термоэлектроды.

Рассмотрим измерение температуры компенсационным методом с помощью термопары и автоматического потенциометра. На рис. 10.4 показаны термопара ТП, вырабатывающая термоЭДС ЕД, и мостовая схема, вырабатывающая компенсирующее напряжение UK, снимаемое между точками А и Б. Разность этих напряжений подается на вход усилителя (У), который питает управляющую обмотку исполнительного электродвигателя (ЭД). Обмотка возбуждения ЭД постоянно подключена к источнику переменного напряжения, а скорость вращения ЭД зависит (примерно пропорционально) от напряжения на его управляющей обмотке. Электродвигатель (ЭД) через редуктор (Р) перемещает движок калиброванного реохорда (потенциометрического датчика) Rп до тех пор, пока напряжение Uк не сравняется с ЕД. Одновременно перемещаются указатель на шкале прибора и перо самописца. При UкД напряжение на входе усилителя равно нулю (Uк ЕЛ =0) и электродвигатель (ЭД) остановится. Каждому значению выходного сигнала датчика ЕЛ = [(Т°С) соответствует определенное положение указателя на шкале. Шкала проградуирована в "С и на ней указан тип термопары, для которой выполнена градуировка.

Мостовая схема в данном случае служит не для измерения, а для выработки компенсирующего напряжения UК и автоматической коррекции из-за изменения температуры холодного спая. Плечи моста состоят из проволочных резисторов R1R3, выполненных из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления (например, из манганина), и терморезнстора RK, изготовленного из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (например, из меди или никеля). Резистор располагается вблизи холодных спаев термопары. Мост питается от источника постоянного тока Е — обычно это батарейка (например, сухой элемент типа ЭСЛ-30). При всяком изменении температуры холодных спаев термопары изменяется ЕД и одновременно меняется сопротивление Rк, что приводит к изменению компенсирующего напряжения UK на ту же величину, на какую изменилось ЕД. Следовательно, колебания окружающей температуры не изменяют показаний на шкале прибора. Регулировочное сопротивление RP служит для установки тока питания моста при разряде батареи (уменьшении Е).

Обычно на панели автоматического потенциометра имеется кнопка с самовозвратом, обозначенная словами «Установка рабочего тока». При нажатии этой кнопки, не показанной на рис. 10.4, рабочая цепь прибора размыкается, а усилитель включается на разность ЭДС батарейки и специального стабильного нормального элемента. Если батарейка разрядилась, то под действием разности этих ЭДС, усиленной усилителем, электродвигатель ЭД перемеща ет движок регулировочного резистора Rp, автоматически устанавливая требуемое значение тока питания моста.

Ответственной деталью в измерительной схеме является реохорд. Он выполнен из манганиновой проволоки, намотанной на медной изолированной основе. Движок реохорда выполнен в виде контактного ролика.

Автоматические потенциометры могут иметь переключатели для поочередного подключения до 24 термопар.

    Глава 11 СТРУННЫЕ ДАТЧИКИ

   § 11.1. Назначение и принцип действия

Для измерения неэлектрических величин применяется и частотней метод, при котором измеряемая величина преобразуется в переменное напряжение, частота которого зависит от этой величины. Достоинством частотного метода измерения является то, что в процессе передачи и дальнейшей обработки частотного выходного сигнала не возникает дополнительной погрешности. Действительно, если выходным сигналом датчика является напряжение, то при передаче такого сигнала на расстояние происходит падение напряжения на проводах линии связи. Если выходным  сигналом датчика является, например, сопротивление, то к нему добавляется сопротивление проводов линии связи. А в частотном методе измерения наличие сопротивления проводов линии связи и внутреннего сопротивления измерительного прибора не изменяют частоту сигнала. Еще одним достоинством частотного сигнала является удобство преобразования его в цифровой код. Это особенно важно в связи с развитием в последнее время цифровых измерительных приборов и применением в автоматике цифровых вычислительных машин.

      Наибольшее развитие для преобразования неэлектрических величин в.частоту получили струнные датчики.  Принцип действия струнного датчика основан на зависимости собственной частоты колебаний натянутой струны длиной  и массой m от силы натяжения F:

Струнные датчики используются в приборах для измерения силы, давления, расхода, температуры и др. При воздействии на струну измеряемой силы струна практически не растягивается, поэтому первичный преобразователь (например, мембрана в датчике давления) работает, почти не деформируясь. Это обстоятельство существенно снижает погрешность измерения из-за механического гистерезиса и упругого последействия материала первичного преобразователя.

Струнный датчик (рис. 11.1) состоит из струны /, возбудителя 2 и приемника 3. Одним концом струна жестко закреплена, а другим концом соединена с первичным преобразователем, например

мембраной 4 на рис. 11.1. При изменении давления Р изменяется сила натяжения струны. С помощью возбудителя 2, которым может быть электромагнит, струна выводится из состояния равновесия и начинает колебаться с частотой f , определяемой давлением Р. Приемник 3 преобразует перемещение струны с частотой f в электрический сигнал такой же частоты. В качестве приемника 3 может.использоваться индуктивный, емкостный или любой другой датчик. На практике

чаще всего применяют электромагнитный датчик. Дело в том, что он может попеременно выполнять функции то возбудителя, то приемника. Когда на его обмотку подается напряжение, то он создает электромагнитную силу притяжения струны и возбуждает ее колебания. А когда струна уже колеблется, то с этой же обмотки снимается переменное напряжение, частота которого равна частоте колебаний струны.

Струнные датчики используются в двух режимах: автогенераторном и в режиме работы по запросу. В первом случае струна постоянно колеблется, а во втором — работает в более легких условиях, срок службы ее увеличивается и датчик получается несколько проще.

§ 11.2. Устройство струнных датчиков

Для обеспечения требуемой точности, чувствительности и надежности струнных датчиков необходимо выбрать соответствующий материал струны. Этот выбор определяется как условиями применения датчика, так и способом возбуждения колебаний струны. К материалу струны предъявляются следующие требования: высокая прочность при вибрационных нагрузках, определенное значение температурного коэффициента линейного расширения (либо малое, либо равное этому же коэффициенту конструкционного материала датчика), независимость упругих свойств от времени и температуры.

Возможно применение как ферромагнитных, так и неферромагнитных материалов струны. При использовании ферромагнитной струны применяются электромагнитные возбудители колебаний. Под действием тока, протекающего по обмотке неподвижного электромагнита, к струне прикладывается сила притяжения, выводящая ее из состояния покоя. При использовании неферромагнитной струны применяются магнитоэлектрические возбудители колебаний. При пропускании через струну тока она испытывает силу притяжения (или отталкивания) к полюсам постоянного магнита.

Наибольшее распространение в струнных датчиках с электромагнитным возбуждением получили стальные струны из круглой рояльной проволоки диаметром 0,1—0,3 мм. При длине в 40—60 мм в таких струнах возбуждаются колебания с частотой 700—2000 Гц. В последнее время используются более гибкие и поддающиеся более надежному креплению стальные ленты толщиной 0,08—0,1 мм и шириной 1—2 мм. Частота колебаний стальной ленты достигает 3 кГц и выше. Стальные струны и ленты работают в режиме заданной длины. В этом режиме струна крепится к относительно более массивному упругому первичному преобразователю, изготовленному также из стали. Одинаковый температурный коэффициент линейного расширения материала струны и материала конструкции датчика позволяет уменьшить температурную погрешность.

В режиме заданной длины струна очень чувствительна к нестабильности крепления, а при использовании неферромагнитных струн обычно требуется изолировать хотя бы один из концов струны, что ухудшает механическую стабильность крепления. Поэтому неферромагнитные струны обычно используют в режиме заданной силы. В качестве материала применяют бериллиевую бронзу, вольфрамовые сплавы, а также специальный железокобальтовый сплав. Струны из вольфрамовых сплавов бывают как круглыми, так и ленточными. Другие материалы обычно используют в виде лент.

При выборе размеров струны исходят из следующих противоречивых требований. При малой длине уменьшаются габариты датчиков, повышаются чувствительность и виброустончивость. Однако при этом увеличивается погрешность из-за несовершенства крепления и влияния собственной жесткости струны. Для обеспечения малой погрешности от собственной жесткости следует стремиться к выполнению условия //d, где / — длина струны, d — диаметр круглой или толщина ленточной струны. Обычно не рекомендуется выбирать длину струны / менее 20 мм. Сечение струны выбирается по требуемому пределу изменения натяжения и целесообразному механическому напряжению в струне. Например, для бронзы рекомендуется выбирать напряжение не более 0,5% от модуля упругости.

Конструкция и материал крепления струны играют первостепенную роль для обеспечения стабильности струнного датчика. При малых механических напряжениях (до 200 Н/мм2) более хорошие результаты дают способы крепления, показанные на рис. 11.2. Крепление с помощью винта (рис. 11.2, а) приводит к значительному смятию струны и ухудшению стабильности. Более хорошие результаты дает крепление в щели (рис. 11.2, б). Ленточные струны закрепляют между двумя хорошо обработанными и подогнанными параллельными плоскостями (рис. 11.2, в). Таким же способом можно крепить и круглые струны. Для высокоточных датчиков применяют более сложные конструкции крепления струны. Для снятия механических напряжений при установке крепления используют

температурное старение в виде нескольких циклов нагрева до 80— 100°С (по 4—8 ч каждый).

С помощью струнных датчиков возможно автоматическое измерение силы, давления, перемещения, ускорения, температуры и других неэлектрических величин. На базе струнных датчиков созданы также цифровые электроизмерительные приборы постоянного

и переменного тока. Диапазон изменения выходного сигнала — частоты— составляет 300—500 Гц. Для исключения помех промышленной частоты стремятся увеличить минимальное значение частоты. Высокая частота облегчает и преобразование ее в цифровой код. Например, для получения погрешности дискретности счета, не превышающей 0,1%, при частоте в 1000 Гц достаточно производить счет импулсьов выходного сигнала датчика в течение 1 с. Наибольшее распространение получили струнные тензометры. Рассмотрим схему измерения с помощью струнного тензометра (рис. 11.3, а). В корпусе 1 закреплена струна 2, начальное натяжение которой может устанавливаться с помощью регулировочного винта 3. Колебания струны возбуждаются с помощью электромаг-■ нита 4. Выходной сигнал приемника 5, в качестве которого используется, например, электромагнитный трансформаторный датчик, измеряется частотомером. В струнных тензометрах применяются струны длиной 20—200 мм с начальным механическим напряжением 300—400 Н/мм2 и максимальным до 800 Н/мм2. С их помощью может быть обеспечена чувствительность измерения относительной

деформации в Ы0-6.

На рис. 11.3, б показаны диаграммы напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита 4, и напряжения, снимаемого с приемника 5 в режиме работы по запросу. Периодически посылаются сигналы запроса в виде одиночного импульса, а сигнал ответа имеет вид затухающих колебаний с частотой /, определяемой силой, приложенной к струне. Как следует из уравнения (11.1), эта зависимость имеет нелинейный характер.

С помощью некоторых конструктивных мер можно уменьшить эту нелинейность. Но в датчиках с одной струной довольно трудно обеспечить нелинейность меньше чем 2—3%  от диапазона

изменения частоты.

Для увеличения точности преобразования и повышения линейности используют двухструнные дифференциальные датчики. Преобразователь силы  в частоту   (рис.   11.4)   состоит из двух струн

1 и 2, размещенных под малым углом друг к другу и натянутых с
силой
2F0, создаваемой пружиной 3.

Пружина 4 уравновешивает начальное натяжение F0 в струне 2. Измеряемая сила F, приложенная к рычагу 5, перераспределяет суммарную силу натяжения 2F0, увеличивая натяжение F2 струны 2 и уменьшая натяжение F1 струны /. Под струнами 1 и 2 располо
жены возбудители колебаний
6 и 7 и приемники колебаний 8 и 9.
Приемники подключены на вход усилителей 10 и 11, а возбудите
ли— на выход этих усилителей. Напряжения с усилителей
10 и
I 1 с частотами соответственно fi и f2 поступают на смеситель 12 и
фильтр
13, на выходе которого получается сигнал разностной час
тоты
 Для уменьшения нелинейности струна, работающая
на укорочение, выбирается несколько большей длины

 Глава 12 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

§ 12.1. Назначение.

Типы фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические датчики реагируют на изменение освещенности. Как правило, фотоэлектрический датчик состоит из источника и приемника светового потока (ПСП). Источником све-■ тового потока может быть сам объект измерения или специальный осветитель (например, в виде обычной лампы накаливания).Опытный сталевар, рассматривая через темно-синий светофильтр расплавленный металл, может определить «на глаз» его температуру,

необходимость внесения каких-либо добавок. По световому потоку, исходящему от раскаленного или расплавленного металла, фотоэлектрический пирометр автоматически измеряет температуру. В данном случае источником светового потока является сам объект измерения (рис. 12.1, а).

Однако чаще используются лампы накаливания, создающие постоянный световой поток, а его изменение происходит под влиянием перемещения шторки (рис. 12.1, б), прохождения света через контролируемую среду (рис. 12.1, в), под влиянием свойств контролируемого объекта, от которого отражается световой поток (рис. 12.1, г). В соответствии с этими возможными вариантами изменения светового потокас помощью фотоэлектрических датчиков можно измерять перемещение и подсчитывать число предметов, определять уровень, прозрачность, задымленность, цвет различных материалов, оценивать качество обработанной поверхности (блеск, шероховатость, окраска). Фотоэлектрические датчики используют в оптико-электронных преобразователях различных величин. Здесь следует напомнить, что более 75% всей информации, которую получает человек, воспринимается с помощью зрения. Поэтому и фотоэлектрические датчики, воспринимающие оптическую информацию, находят широкое применение. С помощью фотоэлектрических датчиков осуществляется и так называемое «техническое зрение».

В приемниках светового потока фотоэлектрических датчиков используется фотоэффект. Под фотоэффектом понимают изменение свойств материала при изменении его освещенности. Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект. Внешний фотоэффект состоит в том, что под влиянием потока излучения электроны вылетают из катода электронной лампы и ток эмиссии зависит от освещенности катода. Внутренний фотоэффект проявляется в том, что активное сопротивление полупроводникового материала зависит от его освещенности. При вентильном фотоэффекте между слоями освещенного проводника и неосвещенного полупроводника, разделенных тонким изоляционным слоем, возникает ЭДС, которая зависит от освещенности. При внешнем фотоэффекте носители тока выходят за пределы материала, при внутреннем — остаются внутри полупроводника. Вентильный фотоэффект, строго говоря, тоже является внутренним фотоэффектом.

Все фотоэлектрические датчики являются селективными (избирательными), т. е. их чувствительность зависит от частоты светового излучения. Иными словами, эти датчики реагируют на определенный цвет: красный, зеленый, синий или другой, включая и невидимую часть спектра (инфракрасное и ультрафиолетовое излучения). Диапазон длин волн видимого света =0,380,78 мкм. Более короткие волны относятся к ультрафиолетовому диапазону, более длинные — к инфракрасному.

§ 12.2. Приемники излучения фотоэлектрических датчиков

К приемникам излучения на основе внешнего фотоэффекта относятся электровакуумные или газонаполненные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и передающие электронно-луче-

вые трубки. К приемникам излучения на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Все приемники излучения являются электронными и полупроводниковыми приборами и изучаются в курсе электроники. Здесь будут рассмотрены только краткие физические основы их работы и характеристики тех приемников излучения, которые нашли применение в системах автоматики.

На рис. 12.2 приведена схема включения вакуумного фотоэлемента. Анод А и катод К фотоэлемента находятся   в   стек-

лянном баллоне, из которого откачай воздух. Когда световой поток падает на катод, покрытый активным слоем, электроны получают энергию, позволяющую им вылететь из катода. Это явление называется фотоэлектронной эмиссией. Под действием источника В приемниках светового потока фотоэлектрических датчиков используется фотоэффект. Под фотоэффектом понимают изменение свойств материала при изменении его освещенности. Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект. Внешний фотоэффект состоит в том, что под влиянием потока излучения электроны вылетают из катода электронной лампы и ток эмиссии зависит от освещенности катода. Внутренний фотоэффект проявляется в том, что активное сопротивление полупроводникового материала зависит от его освещенности. При вентильном фотоэффекте между слоями освещенного проводника и неосвещенного полупроводника, разделенных тонким изоляционным слоем, возникает ЭДС, которая зависит от освещенности. При внешнем фотоэффекте носители тока выходят за пределы материала, при внутреннем — остаются внутри полупроводника. Вентильный фотоэффект, строго говоря, тоже является внутренним фотоэффектом.

Все фотоэлектрические датчики являются селективными (избирательными), т. е. их чувствительность зависит от частоты светового излучения. Иными словами, эти датчики реагируют на определенный цвет: красный, зеленый, синий или другой, включая и невидимую часть спектра (инфракрасное и ультрафиолетовое излучения). Диапазон длин волн видимого света =0,380,78 мкм. Более короткие волны относятся к ультрафиолетовому диапазону, более длинные — к инфракрасному.

питания с ЭДС Е между катодом и анодом создается электрическое поле, которое и заставляет электроны перемещаться от катода к аноду. В электрической цепи создается электрический ток, называемый фототоком. Когда действие света прекращается, ток в фотоэлементе и внешней электрической цепи исчезает.

Зависимость фототока от светового потока называется световой характеристикой. Эта характеристика при постоянных значениях Е и R практически линеиная. Фотоэлемент характеризуется также чувствительностью, которая равна отношению фототока (в микроамперах) к световому потоку (в люменах). В газонаполненных фотоэлементах благодаря ионизации молекул газа, заполняющего баллон, фототок увеличивается. Поэтому чувствительность газонаполненных фотоэлементов больше, чем у вакуумных. Однако световая характеристика вакуумного фотоэлемента более стабильна, менее зависима от колебаний напряжения питания, чем у газонаполненных элементов. Поэтому для целей автоматического измерения чаще применяются вакуумные фотоэлементы.

Промышленностью серийно выпускаются электровакуумные фотоэлементы типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый, вакуумный) и типа Ф разных модификаций. Например, фотоэлемент типа Ф-1 имеет наилучшую чувствительность при =0,215 мкм, Ф-3 — при = =0,750 мкм, Ф-5 — при = 1,1 мкм. Это означает, что фотоэлемент Ф-1 реагирует на ультрафиолетовое излучение, Ф-3 — на видимый свет, Ф-5 — на инфракрасный цвет. Фотоэлементы работоспособны и при других длинах волн, но выходной сигнал при этом будет меньше. На рис. 12.3, а показан фотоэлемент типа СЦВ-4, имеющий размеры диаметр 27 мм и длину 62 мм и интегральную чувствительность 80 мкА/лм. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в отличие от фотоэлементов имеют дополнительные электроды. Благодаря вторичной эмиссии электронов из этих электродов чувствительность ФЭУ во много раз превышает чувствительность фотоэлементов. Однако для ФЭУ требуется и значительно большее напряжение питания.

Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около микрометра, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластинку. Токосъемные электроды выполнены с применением драгоценных металлов. При внутреннем фотоэффекте под действием светового потока в полупроводнике появляются дополнительные свободные электроны, благодаря чему увеличивается электропроводность, а сопротивление фоторезистора уменьшается.

Промышленностью выпускаются фоторезисторы типов СФ, ФР, ФС различных модификаций. В них используются полупроводниковые материалы: сернистый кадмий, сернистый свинец, германий, индий и др.

На рис. 12.3, б, в, г показан внешний вид некоторых фоторезисторов, а на рис. 12.3, д — спектральные характеристики фоторезисторов из некоторых полупроводниковых материалов. По вертикальной оси отложена чувствительность в относительных единицах, а по горизонтальной — длина волны монохроматического (т. е. определенного цвета) светового потока. Вид кривой (острый пик или пологая вершина) зависит и от технологии изготовления полупроводникового материала.

Надо отметить, что чувствительность схем с фоторезисторами во много раз больше, чем схем с фотоэлементами. Например, фоторезистор типа СФЗ-2А имеет в освещенном состоянии ток в 3 мА. При отсутствии света и напряжении на фоторезисторе в 10 В через него протекает ток в 2 мкА. Таким образом, кратность изменения сопротивления может достигать 3-10-3/(2-10-6) = 1500.

Для автоматического измерения фоторезисторы используют чаще всего в мостовой схеме. Для исключения погрешности из-за потока излучения фона в Два плеча моста включают одинаковые фоторезисторы, один из которых воспринимает только излучение фона, а другой освещается одновременно измеряемым объектом и фоном.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести их инерционность. Она заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок не сразу достигает своего конечного значения, а при прекращении освещения ток снижается до первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Постоянная времени фоторезисторов составляет десятые и сотые доли секунды. Еще один недостаток фоторезисторов — зависимость сопротивления от температуры.

Фотодиодами называются полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте и использующие одностороннюю проводимость р-п-перехода.

Различают два режима работы фотодиодов: фотогальванический и фотодиодный. В фотогальваническом режиме не требуется источник питания, поскольку при освещении р-л-перехода появляется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света  в электрическую энергию;

При освещенности  в 8-103 лк фотоЭДС составляет около 0,1 В. В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной полярности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводил бы ток. При освещении фотодиода (его п-области) обратный ток резко увеличивается, фотодиод начинает проводить ток в обратном направлении.

Промышленностью    выпус каются фотодиоды типа ФД различных модификации. В качестве материала чувствительного слоя используются германий, кремний, селен. На рис. 12.4, а, б показаны конструкции некоторых фотодиодов, на рис. 12.4, в — его устройство. На металлическую пластинку 1 наносится слой полупроводника 2, поверх которого осаждается полупрозрачная пленка золота 3. Между золотой пленкой и полупроводником создается запирающий слой. Поверх пленки 3 накладывается защитный слой прозрачного лака 4. С внешней цепью фотодиод соединяется с помощью выводов, одним из которых является контактное металлическое кольцо 5.

При замыкании фотодиода на сопротивление нагрузки по внешней цепи потечет ток, зависящий от светового потока. Такой режим работы фотодиода называется фотогальваническим. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электроэнергию. Чувствительность фотодиода к суммарному световому потоку при коротком замыкании селеновых фотоэлементов довольно велика и составляет 0,5 мА на 1 лм. При увеличении внешнего сопротивления в цепи фотодиода его чувствительность падает. Инерционность фотодиодов примерно на порядок меньше, чем у фоторезисторов.

Фотодиоды чаще используются не для целей автоматического измерения, а в схемах фотореле; Для этих же целей используются и фототранзисторы, совмещающее свойства фотодиода и усилительного транзистора.

§ 12.3. Применение фотоэлектрических датчиков

Фотоэлектрические датчики получили очень широкое распространение в системах автоматики и имеют хорошую перспективу дальнейшего распространения. Наиболее часто они используются в схемах релейного действия, где выдают дискретный сигнал: «Освещено» или «Затемнено».

. Фотореле состоит из осветителя, создающего световой поток, и приемника излучения (фотоэлемента, фоторезистора, фотодиода или фототранзистора). Приемник излучения включен в цепь обмот-

 

ки электромеханического реле (непосредственно или чаще через усилитель). При попадании светового потока на приемник скачком изменяется фототок и срабатывает реле, осуществляя необходимые переключения в схеме управления каким-либо устройством. Такие фотореле используются в турникетах, пропускающих пассажиров в метро, фиксируют достижение различными механизмами определенных положений, очень широко применяются в автоматических устройствах защиты обслуживающего персонала от производственных травм. Когда рука рабочего случайно пересекает световой барьер, ограждающий опасную зону, подается предупреждающий сигнал или механизм вообще останавливается. С помощью фотодатчиков осуществляется считывание дискретной информации с перфоленты. Информация на такой ленте записана с помощью отверстий, пробиваемых в определенных местах. Наличие отверстия "означает цифру 1, а отсутствие отверстия — цифру 0 в двоичном коде. Каждому разряду в двоичной форме счисления соответствует место расположения отверстий на перфоленте. Перфолента прокручивается между осветительной лампой и несколькими фотодатчиками (рис. 12.5, а), количество которых соответствует числу считываемых разрядов. Для таких целей могут использоваться специальные полупроводниковые приборы, объединяющие в одной конструкции несколько фотодатчиков. Эти фотодатчики располагаются в одну линию друг за другом, например так называемая линейка фотодиодов. Имеются и фото диодные матрицы, где фотодатчики расположены, как клетки в таблице.

Линейку фотодиодов используют для измерения размеров детали, перемещаемой на конвейере. Деталь перекрывает световой поток (рис. 12.5, б) и затемняет такое количество фотодиодов, которое соответствует высоте детали.

Изменение длины перемещаемой детали может выполняться и по сигналу одного фотодатчика (рис. 12,5, в). Деталь, пересекая передней кромкой световой барьер, дает сигнал на подсчет числа импульсов. Когда фотодатчик снова освещается, подсчет импульсов заканчивается. По зафиксированному счетчиком количеству импульсов определяется длина движущегося предмета. Датчик импульсов кинематически связан с приводом конвейера. Поэтому колебания скорости движения детали не влияют на точность измерения ее длины.

Рассмотрим применение фотоэлектрических датчиков для преобразования угла поворота в цифровой код (рис. 12.6, а, б). Осветитель направляет световой поток через прозрачный диск, на который фотохимическим способом нанесена кодовая шкала с прозрачными и непрозрачными участками. С другой стороны диска расположены фотоприемники, количество которых равно числу разрядов двоичного числа. На рис. 12.6 показан кодовый диск с шестью разрядами. Самый старший разряд расположен ближе всего к центру диска. Прозрачный участок означает двоичную цифру «1», непрозрачный — двоичную цифру «О». Если во всех разрядах стоит «О», то это двоичный код числа 0. Если во всех разрядах стоит «1», то это двоичный код десятичного числа 63 (1111112= =6310). Свет, проходя через кодовый диск, попадает на фотоприемники. Наличие выходного сигнала с фотоприемника принимается за «1», отсутствие — за «0». Такое устройство называется аналого-цифровым преобразователем или кодовым датчиком.

Для измерения крутящего момента применяются фотоэлектрические торзиометры. Перед проволочными тензометрами они имеют то преимущество, что не нуждаются в токосъемном устройстве. Они обеспечивают бесконтактный съем сигнала с вращающегося вала. Принцип действия фотоэлектрического торзиометра показан на рис. 12.7. На испытуемом валу 1 укреплены два диска 2, имеющие прорези (окна) в радиальном направлении. Эти диски вращаются вместе с валом. Под действием момента нагрузки вал скручивается и диски смещаются друг относительно друга на угол, пропорциональный моменту и расстоянию между дисками. На неподвижной части торзиометра расположены источник света 3 (лампа накаливания) и два фотоприемника 4. Лампа помещена посередине между дисками, а фотоприемники расположены по обе стороны дисков. При отсутствии крутящего момента прорези правого и левого дисков находятся на одной оси и световой поток одновременно попадает на оба фотоприемника. Следовательно, в этом случае фо-

готоки обоих приемников будут совпадать по фазе. При увеличении крутящего момента диски смещаются друг относительно друга и освещение фотоприемников будет происходить не одновременно, а со сдвигом во времени. Поэтому фототоки приемников 4 окажутся сдвинутыми по фазе. Количество прорезей на каждом диске и расстояние между ними обычно выбирают так, чтобы при максимальном крутящем моменте фазовый сдвиг между фототоками составлял 180°. Измерительная цепь прибора осуществляет измере- ние фазового сдвига между токами, или измерение времени между импульсами фототоков.

        В последнее время в качестве источников света для  фотоэлектрических датчиков все чаще применяются не лампы накаливания, а све-тодиоды, имеющие большую надежность и очень малое потребление электроэнергии для питания.

Вообще надо отметить, что сейчас очень быстро развивается опто-электронная техника, которая обеспечивает как преобразование энер гии света в электроэнергию, так и обратное преобразование.

В качестве датчиков положения, определения качества поверхностей, для считывания графической информации начинают применяться отражательные оптроны.

Для высокоточных измерений малых перемещений используют фотоэлектрические датчики, у которых между источником света и фотоприемником помещаются диски или линейки из прозрачного материала с нанесенными на них непрозрачными штрихами. В настоящее время известны линейки, имеющие до тысячи штрихов на 1 мм длины. Поэтому даже при малом перемещении линейки возникает значительное изменение сигнала фотоприемника. Еще более высокую чувствительность можно получить с использованием двух линеек, штрихи одной из которых выполнены с небольшим наклоном. При взаимном перемещении таких линеек возникает так называемый «муаровый» эффект. При незначительном перемещении линеек появляются темные «муаровые» полосы и световой поток, падающий на фотоприемник, резко изменяется.

Во всех рассмотренных выше примерах са"й фототок не влиял на точность измерения или преобразования. Фотоприемники работали не в аналоговом, а в дискретном режиме. Такой режим позволяет иметь более простые конструкции и схемы приборов, так как не требуется обеспечить высокую стабильность светового потока и напряжения питания.

Однако фотоэлектрические датчики используются и в аналоговом режиме, когда именно по значению фототока определяется из меряемая неэлектрическая величина. При измерении высоких температур (более 1000 °С) широкое распространение получили пирометры, использующие лучистую энергию тел, температура которых измеряется. С помощью фотоэлектрических датчиков построены яркостные пирометры и цветовые пирометры.

Фотоэлектрический яркостный пирометр основан на использовании зависимости между током  фотоэлемента и температурой Т источника излучения, освещающего фотоэлемент. Эта      зависимость       имеет вил       ,    где         коэффициент а       зависит       от

чувствительности фотоэлемента, а п — от его спектральной характеристики. Коэффициент п достигает 10—12 и может быть увеличен подбором соответствующих светофильтров. При использовании в качестве фотоприемников фоторезисторов их включают в мостовую схему (рис. 12.8). На фоторезистор ФР1 падает световои поток от контролируемого объекта. На фоторезистор ФР2 падает световой поток от лампочки накаливания.

При нарушении баланса моста напряжение с его измерительной диагонали подается на усилитель, который питает лампу накаливания и изменяет ее накал таким образом, чтобы уменьшить разбаланс моста. Амперметр в цепи лампы накаливания может быть проградуиро-ван в единицах температуры. Градуировка проводится по показаниям образцового пирометра.

В основу работы фотоэлектрических цветовых пирометров положено следующее физическое явление, называемое законом смещения. При нагреве тело излучает световой поток, где присутствуют разные цвета, т. е. имеются электромагнитные колебания с разными длинами волн. Однако каждой температуре соответствует определенная длина волны, на которой интенсивность излучения максимальна.

В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивно-стей излучения данного тела в лучах двух заранее выбранных длин волн. Это отношение для каждой температуры будет различным, оно однозначно определяет температуру тела.

На рис. 12.9 показана схема фотоэлектрического цветового пирометра. Излучение от объекта измерения А поступает на фотоэлемент 1 через диск 2, в котором попеременно расположены красные и синие светофильтры. Диск приводится во вращение с постоянной скоростью электродвигателем 3. Таким образом, на фотоэлемент попеременно попадают то красные, то синие лучи. Синхронно с вращением диска 2 усиленный сигнал с фотоэлемента переключается коммутатором 4, выделяющим два сигнала: соответствующий интенсивности красных лучей и соответствующий интенсивности синих лучей. Измеритель отношения сигналов (например, логометрического типа) проградуирован в единицах температуры.

Представляет интерес использование фотоэлектрического датчика в измерителе влажности (психрометре). Влажность можно определить по так называемой «точке росы». Известно, что водя-

нои пар, имеющийся в газе, начинает конденсироваться (осаждаться в виде росы) при определенной температуре, зависящей от влажности. Для определения начала осаждения росы и служит фотодатчик. Луч осветителя падает на маленькое зеркальце и отражается на фотоприемник. Поверхность зеркальца может охлаждаться и нагреваться системой терморегулирования, включаемой по сигналу фотодатчика. Если температура зеркала понижается до точки росы, то появляющийся на поверхности зеркала туман уменьшает световой поток, падающий на фотоприемник, и фототок резко уменьшается. Срабатывает реле, включающее нагреватель зеркала. Спустя некоторое время температура зеркала повысится, туман на нем исчезнет, фототок резко возрастет и сработает реле, включающее охладитель зеркала. Таким образом, температура заркаль-ца будет непрерывно колебаться относительно точки росы. Измеряя ее с помощью терморезистора или термопары, можно определить влажность.

Фотоэлектрические датчики применяют для измерения различных неэлектрических величин. В машиностроении применяются фотоэлектрические датчики размеров деталей. С помощью оптических систем можно спроецировать контур маленькой детали на весьма большую площадь, что существенно повышает чувствительность и точность измерения. В механических контактных датчиках для этого потребовались бы рычажные системы, которые бы оказывали силовое воздействие на деталь. А фотоэлектрический датчик не нагружает деталь. С его помощью можно контролировать размеры хрупких и непрочных деталей и узлов.

Применяются фотоэлектрические датчики для определения за-дымленности и загазованности при промышленных выбросах в ат мосферу, что очень важно для охраны природы и здоровья людей. Фотоэлектрические колориметры, блескомеры, нефелометры позволяют объективно оценить качество изготовления и отделки различных изделий по их цвету, полировке, прозрачности соответственно. С помощью фотоэлектрических датчиков выполняется автоматическое прочтение машинописных и рукописных буквенных и цифровых текстов.

Глава 13

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ДАТЧИКИ

§ 13.1. Принцип действия и назначение

Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимодействии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой. К ультразвуковым относят механические колебания, происходящие с частотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых колебаний, воспринимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых колебаний в твердых, жидких и газообразных средах зависит от свойств среды. Например, скорость распространения этих колебаний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для жидкостей —от 1100 до 2000, для твердых материалов— от 1500 до 8000 м/с. Очень сильно выражена зависимость скорости колебаний в газах от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощательная способность разных сред. Поэтому в ультразвуковых датчиках информация о различных неэлектрических величинах получается благодаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазового сдвига этих колебаний.

Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнито-стрикционные преобразователи. В гл. 7 были рассмотрены пьезоэлектрические датчики, преобразующие давление в электрический сигнал. Это прямой пьезоэффект. Он используется в приемниках ультразвукового излучения. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразвуковых колебаний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционные излучатели ультразвука  используют явление деформации ферромагнитов в переменном магнитном поле.

Поясним работу ультразвукового датчика на примере эхолота — прибора для измерения глубины моря (рис. 13.1). При подаче переменного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультразвуковые колебания, направленные вертикально вниз.

Отраженный ультразвуковой импульс воспринимается пьезоэлементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука v в воде:

                                                   h=vt/2.                    (13.1)

Шкала прибора градуируется непосредственно в метрах. Аналогично действует ультразвуковой локатор, определяющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении. Некоторые животные (например, летучие мыши и дельфины) имеют органы ориентировки, действующие по принципу ультразвукового локатора.

Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно большую, чем звуковые, поскольку энергия пропорциональна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется направленное излучение ультразвука.

С помощью ультразвуковых датчиков обнаруживают дефекты в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках и т. д. Ультразвуковые датчики играют важную роль в дефектоскопии, в неразрушающих методах контроля. Кроме того, ультразвуковые датчики используются в приборах для измерения расхода, уровня, давления.

§ 13.2. Излучатели ультразвуковых колебаний

В ультразвуковых электрических датчиках наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели, возбуждаемые с помощью полупроводниковых и электронных генераторов, вырабатывающих переменное напряжение с частотой более 10 кГц. Часто применяется и импульсное возбуждение ультразвуковых излучателей.

Магнитострикционный излучатель стержневого типа (рис. 13.2, а) представляет собой набор тонких листов из ферромагнитного материала, на который намотана обмотка возбуждения. Чаще всего в магнитострикдионных излучателях используется никель й его

сплавы (инвар и монель), а также ферриты. Форма пластины показана на рис. 13.2, б.

Если стержень из ферромагнитного материала находится в переменном магнитном поле, то он будет попеременно сжиматься и разжиматься, т. е. деформироваться. Зависимость относительного изменения длины стержня из никеля от напряженности магнитного поля Н показана на рис. 13.3. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебаний деформации будет в два раза больше частоты переменного возбуждающе-

го поля. Для получения больших механических деформаций используют постоянное подмагничивание стержня, чтобы работать на наиболее крутом участке кривой (рис. 13.3).

Магнитострикционные излучатели работают в условиях резонанса, когда частота возбуждающего поля совпадает (настроена в резонанс) с частотой собственных упругих колебаний стержня, которая определяется по формуле

                    

где / — длина стержня; Е — модуль упругости; р — плотность материала.

Для никелевого стержня длиной /=100 мм частота собственных колебаний составляет 24,3 кГц, амплитуда достигает примерно 1 мкм. Наивысшая частота, на которой еще удается возбудить достаточно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соответствует длине 40 мм. Помимо основной частоты в стержне можно возбудить и колебания на высших гармониках (при соответствующем креплении стержня), но с меньшей амплитудой.

В пьезоэлектрическом излучателе ультразвуковых колебаний используется пластина кварца (рис. 13.4), к которой приложено переменное напряжение Uх, создающее электрическое поле в направлении электрической оси X (см. рис. 7.1). Продольный обратный пьезоэффект заключается в деформации пластины по оси X.

При этом относительное изменение толщины пластины

                                                                       (13.3)

Поперечный обратный пьезоэффект заключается в деформации пластины в направлении механической оси У. При этом относительное изменение длины пластины

                                                                      (13.4)

Как видно из (13.3), продольная деформация не  зависит от раз метров пластины, а поперечная деформация, как следует из (13.4), увеличивается с ростом отношения l/а. При напряжениях до 2,5 кВ сохраняется прямая пропорциональность между величиной деформации и напряжением. При больших напряжениях деформация увеличивается не столь быстро и при 1)х= =25 кВ оказывается на 30% меньшей, чем рассчитанная по (13.3) и (13.4). Амплитуда колебаний достигает максимума при равенстве частоты приложенного напряжения и частоты собственных колебаний пластины.

Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле, аналогичной (13.4), где модуль упругости берется в направлении оси X:

Частота собственных поперечных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси У:

Для кварцевых пластин f0=285/c [кГц] и f/=272,6// [кГц], где размеры пластины выражены в сантиметрах.

По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические излучатели обеспечивают значительно большую (на 1—2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний.

§ 13.3. Применение ультразвуковых датчиков

В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах используется свойство ультразвука отражаться от границы двух сред. Соотношение между энергиями отраженных и падающих колебаний называется коэффициентом отражения. Этот коэффициент весьма велик для сред, существенно отличающихся по плотности и скорости распространения звука. Например, коэффициент отражения на границе вода — сталь составляет 88, а на границе вода — трансформаторное масло он равен 0,6. Но даже и при малых коэффициентах отражения полученный отраженный сигнал вполне достаточен для измерения положения уровня раздела двух сред. Мерой

уровня является время распространения колебании от источника излучения к границе раздела и обратно к приемнику. Эти величины уровня и времени связаны между собой соотношением (13.1). Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распространяться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металлическая стенка, что позволяет вести измерение без контакта измерительных элементов с контролируемой средой и без электрических вводов в резервуар.

В ультразвуковых уровнемерах используется в основном импульсный режим передачи колебаний в среду. При этом пьезоэле-мент может попеременно работать то излучателем, то приемником ультразвука. Схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 13.5. Электрические высокочастотные импульсы от генератора 2 подаются по кабелю к пьезоэлементу датчика /, который излучает ультразвуковые колебания в измеряемую среду. Эти колебания отражаются от границы раздела сред и возвращаются к пьезоэлементу, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем 3 и подается на измерительное устройство 4, определяющее время между посылкой импульса генератором 2 и приходом импульса в усилитель 3. В результате многократного отражения посланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинаковое время. Частота посылаемых импульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до посылки следующего импульса. Ультразвуковые уравнемеры обеспечивают точность в 1% при измерениях уровня в 5—10 м в условиях высокой температуры, высокого давления, большой химической активности контролируемой среды. В воздухе ультразвуковые колебания затухают во много раз быстрее, чем в жидких (и вообще в более плотных) средах. Поэтому предпочтительнее располагать излучатель и приемник под резервуаром, а не сверху (рис. 13.5).

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со скоростью движения этой среды. Схема ультразвукового расходомера показана на рис. 13.6. Пьезоэлементы 1 и 2 располагаются вдоль трубопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в несколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помощью переключателя 4 работает то излучателем, то приемником. Таким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку среды, то навстречу ему. В первом случае скорости колебаний и потока складываются, во втором случае — вычитаются. После прохождения по среде сигналы, принятые пьезоэле-ментами, усиливаются усилителем 5 и поступают попеременно на измерительное устройство 6. Разность фаз принятых колебаний будет пропорциональна скорости среды. Градуировка прибора выполняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значением скорости распространения ультразвука изменяется и градуировка.

Следует отметить, что измерительные схемы для ультразвуковых датчиков довольно сложны.

Глава 14

ДАТЧИКИ ХОЛЛА И МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

§ 14.1. Физические основы эффекта Холла и эффекта магнитосопротивления

Эффект Холла — это физическое явление, которое заключается в следующем. Рассмотрим пластинку (рис. 14.1) из проводящего материала, вдоль которой проходит ток I. Если перпендикулярно плоскости пластинки и направлению тока действует магнитное поле напряженностью Я, то в пластине возникает ЭДС, пропорциональная и току, и напряженности магнитного поля:

                                                Е=КIН,                                  (14.1)

где K=kx /d — коэффициент, зависящий от материала и толщины пластины d; kx — постоянная Холла.

Направление этой ЭДС, которая называется ЭДС Холла, перпендикулярно току и полю, т. е. ее можно замерить между боковыми продольными гранями пластины (рис. 14.1) с помощью электроизмерительного прибора. Причина появления ЭДС Холла в том, что на движущиеся заряды в магнитном поле действует сила Лоренца. Ток в пластине — это и есть упорядоченное движение зарядов (в металле — электронов). Под действием магнитного поля они смещаются перпендикулярно направлению своего движения и вблизи одной продольной грани возникает избыток зарядов, а вблизи другой — недостаток. В обычных проводниковых материалах ЭДС Холла очень мала, что объясняется малой скоростью (точнее — подвижностью) носителей тока из-за их большой концентрации.

Хотя эффект Холла известен уже более ста лет, практическое применение его началось лишь в итоге развития технологии получения полупроводников. Именно в чистых полупроводниках обеспечивается высокая подвижность носителей тока, поэтому постоянная Холла для чистых полупроводников во много раз больше, чем для металлов.

Эффект магнитосопротивления — это другое физическое явление, заключающееся в изменении сопротивления проводящих тел в магнитном поле. Объясняется это тем, что в присутствии магнитного поля на носители тока действует сила Лоренца, изменяющая траекторию их движения. Если бы не было магнитного поля, то под действием приложенного к проводящему телу напряжения носители тока перемещались бы по кратчайшему направлению. Изменение траектории под действием магнитного поля всегда удлиняет путь носителей тока, что проявляется как увеличение сопротивления. В сильных поперечных магнитных полях некоторые вещества могут иметь относительное увеличение сопротивления а=Д/?//? в десятки раз. Чаще всего величина а связана с напряженностью магнитного поля Я квадратичной зависимостью

                                                                                (14.2)

где kR — коэффициент, зависящий от материала и размеров.

Эффекты Холла и магнитосопротивления используются в датчиках, с помощью которых могут быть измерены различные электрические и магнитные величины. Кроме того, они могут использоваться для математической обработки электрических сигналов: сложения, умножения, деления, возведения в квадрат и извлечения корня; для различных преобразований электрических сигналов.

§ 14.2. Материалы для датчиков Холла и датчиков магнитосопротивления

Использование датчиков Холла для целей автоматического измерения будет рациональным в том случае, если они имеют достаточно высокую чувствительность и мало подвержены влиянию температуры. Чувствительность датчика зависит от выходной ЭДС, т. е. от постоянной Холла, которая, в свою очередь, определяется подвижностью носителей тока. В проводящих телах носителями тока являются электроны. При обычных температурах электроны находятся в хаотическом тепловом движении с самыми различными скоростями. Однако если вдоль тела создать электрическое поле Е, приложив напряжение U, то все электроны начнут передвигаться в направлении поля с некоторой средней скоростью v (при этом отдельные электроны могут иметь как большую, так и меньшую скорости). Подвижность носителей тока (р) определяется как отношение скорости v к напряженности электрического поля Е:

                  (14.3)

Подвижность зависит от того, как часто электрон при своем движении сталкивается с решеткой твердого тела. Следует особо отметить, что большое значение ЭДС Холла еще не означает, что в этом веществе велик эффект Холла и оно годится для технических применений. Большое значение ЭДС может быть полученj за сче* большого напряжения U, т. е. больших затрат электрической энергии. В то же время в другом материале такая же ЭДС Холла и те же скорости носителей тока могут быть получены при меньшем напряжении только за счет большей подвижности. Такой материал выгоднее для применения в датчике Холла.

Короче говоря, основным требованием, предъявляемым к материалам для датчиков, является сочетание большой подвижности носителей тока с минимальными температурными зависимостями.

В зависимости от технологии изготовления различают кристаллические (в форме пластинки) и пленочные датчики.

В качестве материала кристаллических датчиков используются различные соединения индия: мышьяковистый индий IriAs, фосфид индия 1nР, сурьмянистый индий InSb, а также германий Ge и кремний Si.

Наибольшее значение постоянной Холла у материала InSb, но оно сильно зависит от температуры. На рис. 14.2 показаны зависимости постоянной Холла от температуры для разных материалов (1 — InSb, 2 — InAs, 3 —твердый раствор InAs и 1пР). Для германия постоянная Холла в десятки раз меньше, но он обладает значительно большим удельным сопротивлением. Из германия можно делать датчики с сопротивлением в несколько килоом. Еще ббльшим удельным сопротивлением обладает кремний, но его труднее очистить от примесей. Высокую степень очистки полупроводниковых материалов получают при плавке в космических лабораториях.

Для размещения в узких зазорах очень удобны пленочные датчики Холла. Для их изготовления используется метод испарения в вакууме исходного вещества с последующим осаждением на подложку из слюды. Толщина пленочных датчиков составляет 10— 30 мкм, что в сотни раз меньше, чем у кристаллических датчиков. Материалом для пленочных датчиков служат соединения ртути: селенид ртути HgSe и теллурид ртути HgTe. Чем тоньше пленка, тем меньше постоянная Холла. По своим возможностям применения в системах автоматики пленочные датчики примерно равноценны с германиевыми и даже лучше по температурной стабильности. Но они очень дорогие. В настоящее время проводятся исследования   новых   материалов,   пригодных   для   использования   в датчиках Холла и магнитосопротивления.

§ 14.3. Применение датчиков Холла и датчиков магнитосопротивления

Основное применение датчики Холла и датчики магнитосопротивления находят для измерения магнитных полей. Они применяются в очень широком диапазоне напряженности магнитного поля: от 1 до 109 А/м. С их помощью можно определять кривые намагничивания магнитных материалов, распределение магнитных полей в электрических машинах и электромагнитных устройствах. При измерениях в сильных магнитных полях (H>107 А/м) ЭДС Холла составляет десятые доли вольт и  может быть  измерена вольтметром с  большим  внутренним сопротивлением  или с помощью   компенсационной   схемы.   Регулировка   чувствительности производится изменением напряжения, питающего датчик. Для увеличения выходного сигнала  используют последовательное соединение нескольких датчиков Холла. При измерениях в средних магнитных полях (105 А/м<H<107 А/м) требуется усиление выходного напряжения датчика. При измерениях в слабых магнитных полях (H<105 А/м)  используют так называемые концентраторы магнитного поля.  В  качестве таких концентраторов  используют круглые длинные стержни с узким зазором между ними, куда и помещается датчик. Стержни изготовляют из материалов с высокой магнитной проницаемостью, чаще всего из пермаллоя. При длине стержней в 1 метр, диаметре 5 мм и зазоре в 0,3 мм можно полу чить коэффициент усиления магнитного поля в 1500 раз. Датчики Холла с концентраторами магнитного поля способны чувствовать напряженность магнитного поля в 0,1 А/м. С их помощью можно исследовать даже очень слабое магнитное поле Земли. Однако надо отметить, что измерения средних и слабых магнитных полей с помощью датчиков Холла пока целесообразны лишь в лабораторных, а не промышленных условиях.

  В средних и слабых магнитных • полях датчики Холла очень чувствительны к колебаниям температуры и нуждаются в стабиль-ном питании и сложных измерительных схемах. Например, тер-моЭДС между материалом датчика и его выводами соизмерима с выходным сигналом. Да и при измерениях в сильных магнитных полях используют схемы термокомпенсации погрешности с помощью терморезисторов, а порой даже и термостатироваиие, т. е. измерения проводят в камере, где автоматически поддерживается постоянная температура.

По   существу,   датчик   Холла является элементарным умножающим устройством, поскольку его выходной сигнал пропорционален произведению напряженности на ток. На этом, в сущности, и основаны все возможные применения датчика Холла. При постоянном токе через датчик выходной сигнал пропорционален напряженности магнитного поля. А поместив датчик в постоянное магнитное поле, можно измерять ток, проходящий через него, по значению ЭДС Холла. Это единственный способ определения распределения токов в электролитических ваннах.

Датчики магнитосопротивления также вначале использовались для измерения магнитных полей, но затем были вытеснены более совершенными датчиками Холла на новых полупроводниковых материалах. Однако датчики магнитосопротивления по устройству проще датчиков Холла. Наилучшей формой для датчика магнитосопротивления является диск с одним выводом в центре и другим — на окружности. Зависимости относительного изменения сопротивления датчиков магнитосопротивления разной формы от магнитной индукции показаны на рис. 14.3.

Основным достоинством датчика магнитосопротивления является возможность бесконтактного изменения активного сопротивления.

Одним из возможных применений датчиков магнитосопротивления является создание бесконтактных клавишных выключателей. При нажатии на кнопку такого выключателя перемещается магнити изменяется магнитный поток, воздействующий на датчик магни-тосопротивления.

Известны также применения датчиков Холла и магнитосопро-тивления в системах автоматики в качестве измерителей тока в токоведущих шинах, бесконтактных потенциометров для преобразования механического перемещения (линейного или углового) в пропорциональный электрический сигнал. Удобно применять датчики Холла в автоматических устройствах, контролирующих состояние стальных канатов.

Пока еще датчики Холла и датчики магнитосопротивления сравнительно мало применяются в системах промышленной автоматики. Но бурное развитие полупроводниковой технологии ведет к расширению их применения.

Следует отметить, что в последнее время к таким датчикам прибавились еще и близкие по принципу действия магнитодиодные и гальваномагнитно-рекомбинационные преобразователи.


Раздел
III

КОММУТАЦИОННЫЕ

И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

Глава 15

КОММУТАЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

§ 15.1. Назначение. Основные понятия

Коммутационные элементы предназначены для включения, отключения и переключения электрических цепей. Под коммутацией обычно понимают выполнение этих трех операций. Различают коммутационные элементы ручного и автоматического управления. Коммутационные элементы ручного управления срабатывают при непосредственном механическом воздействии на их органы управления. Автоматические коммутационные элементы срабатывают под воздействием электромагнитных сил на их приводные органы. Основной частью таких элементов обычно является электромагнит, входным сигналом для них служит электрический ток или напряжение. Автоматические коммутационные элементы используются в системах автоматики и при дистанционном управлении различными механизмами и устройствами. Они рассматриваются в последующих главах данного раздела.

В этой главе рассмотрены коммутационные элементы с механическим приводом. Используются они, как правило, для местного управления и для подачи сигналов о достижении каких-либо промежуточных и конечных положений. По своему назначению коммутационные элементы подразделяют на два вида: для коммутации силовых цепей (обмоток электродвигателей, мощных электромагнитов, трансформаторов, нагревателей и других потребителей) и для коммутации цепей управления (обмоток релейно-контактной аппаратуры, устройств контроля, регулирования и сигнализации). Такое разделение обусловлено различными значениями токов и напряжений в коммутируемых цепях, что, в свою очередь, влияет на конструктивное исполнение и габаритные размеры. Изучение коммутационных элементов для силовых цепей не входит в нашу задачу. Отметим только, что наибольшее распространение для этих целей получили рубильники и переключатели рубящего типа, обеспечивающие быстрое размыкание и имеющие специальные устройства для гашения электрической дуги.

Все коммутационные элементы, используемые в цепях управления, обязательно имеют следующие узлы: неподвижные контакты, подвижные контакты и орган управления. Кроме того, они могут иметь элементы фиксации, монтажа и настройки, дугогашения и т. п. Необходимые коммутационные элементы выбирают по допустимым значениям тока и напряжения. Но наиболее важной для практики характеристикой коммутационных элементов является их надежность, т. е. сохранение работоспособности при большом числе срабатываний.

Коммутационные элементы различают по числу коммутируемых цепей (одноцепные и многоцепные) и по числу фиксированных положений, причем имеются коммутационные элементы с самовозвратом в исходное положение, т. е. без фиксации переключенного положения, что может быть необходимо для ряда схем управления.

К коммутационным элементам с механическим приводом относятся кнопки управления, микропереключатели, тумблеры, клавишные, поворотные, рычажные и кулачковые переключатели, а также концевые и путевые выключатели.

§ 15.2. Кнопки управления и тумблеры

Кнопки управления — это аппараты, подвижные контакты которых перемещаются и срабатывают при нажатии на толкатель кнопки. Комплект кнопок, смонтированных на общей панели, представляет собой кнопочную станцию. Используемые в схемах автоматики кнопки управления различают по числу и типу контактов (от 1 до 4 замыкающих и размыкающих), форме толкателя (цилиндрический, прямоугольный и грибовидный), способу защиты от воздействия окружающей среды (открытые, закрытые, герметичные, взрывобезопасные и т. д.).

Независимо от конструкции и габаритных размеров кнопок (рис. 15.1, а, б) все они имеют неподвижные контакты / и подвижные контакты 6, перемещаемые с помощью толкателя 3. Внешняя цепь подсоединяется к кнопке с помощью винтовых зажимов 7. Корпус 2 кнопки фиксируется на панели управления гайками 4 и 5.

Электрические параметры наиболее распространенных кнопок приведены в табл. 15.1. Кнопки управления общепромышленного применения серий КУ и КЕ имеют различные исполнения и формы толкателей.

Для коммутации цепей электроники выпускаются специальные кнопки (например, типа ВК14-21). Малогабаритные кнопки управления выполняют на основе микровыключателя типа МП, который используют в качестве исполнительного контактного элемента в тумблерах типа MTI и МТН. Долговечность и надежность кнопок управления оценивают коммутационной износостойкостью, которую выражают в гарантированном числе циклов включений-отключений под нагрузкой. Этот параметр различен для разных кнопок и условий эксплуатации. Например, для кнопок типа ВК14-21 с медными контактами он составляет 0,25*106 циклов, с биметаллическими контактами — 2,5*108, с серебряными контактами — 4*106 циклов. Механическая износостойкость всегда превышает коммутационную. В последнее время все большее распространение получили кнопки управления с прямоугольной формой толкателя — их называют клавишами.

На основе кнопок управления изготовляют кнопочные станции, содержащие до 12 кнопок различного исполнения, собранных на общей панели или в одном корпусе. Такие коммутационные устройства называют кнопочными или клавишными переключателями (рис. 15.2).

Переключатель представляет собой наборную панель из кнопок / (или клавиш), смонтированных на общем каркасе 2 и снабженных механизмом фиксации, который может быть независимым для каждой кнопки (клавиши) или взаимно сблокированным. Кнопки могут также иметь самовозврат в исходное положение или чередование включенного и отключенного фиксированных положе

ний. Каждая кнопка или клавиша осуществляет коммутацию одной или нескольких цепей. Некоторые типы переключателей снабжают специальной кнопкой возврата (сброса) включенных кнопок в исходное положение. В этом случае возможно включенное положс-

ченных положений соответствующих кнопок (клавиш). При этом положение кнопок или клавиш (поднятое или утопленное) играет роль указателя. Для этой цели используют также световые сигнализаторы 3 (лампы или светодиоды), вмонтированные в корпус блока переключателя (рис. 15.2). Закрытое исполнение и использование высококачественных материалов (биметаллов, сплавов серебра и т. п.) для контактов обеспечивают малые переходные сопротивления, что весьма важно при установке этих переключателей в низковольтных и слаботочных цепях автоматики и электроники.

Для более мощных цепей автоматики применяют тумблеры, используемые в качестве выключателей, а также двух- и трехпозиционных переключателей. На рис. 15.3 показано устройство двухпозиционного тумблера. Мостико-вый контакт, выполненный в виде токопроводящего ролика /, замыкает одну из двух пар неподвижных контактов 2. Переключение контактов тумблера осуществляется воздействием на рычаг 3, а ускорение срабатывания (мгновенное действие) обеспечивается пружиной 4. Номинальный ток тумблера 1 и 2 А при напряжении 220 В, масса их не превышает 30 г.

§ 15.3. Пакетные переключатели

Для коммутации нескольких цепей при нескольки-х фиксированных положениях для выбора различных режимов работы используются пакетные переключатели.* Такой переключатель (рис. 15.4, а) состоит из ряда слоев — пакетов 3 (показан отдельно на рис. 15.4, б), внутри которых находятся подвижный 5 и неподвижный 4 контакты. Подвижный контакт 5 закреплен на оси 2, вращающейся с помощью рукоятки / и имеющей ряд фиксированных положений, в которых замыкаются неподвижные контакты одного из пакетов. Выводы 6 неподвижных контактов закреплены в корпусе переключателя. Недостаток таких пакетных переключателей — низкая надежность скользящих контактов.

Пакетные переключатели кулачкового типа, в которых электрическая цепь замыкается неподвижными контактами, более надежны. Подвижными у них являются диэлектрические кулачки, которые и замыкают контакты в зависимости от профиля кулачка и положения оси.

Конструкции пакетных переключателей, предназначенных для цепей управления, позволяют получить десятки и сотни вариантов разнообразных схем соединений при числе коммутируемых цепей до 24 (12 пакетов) и количестве фиксированных положений до 8 (через 45, 60 или 90°).

Имеются переключатели и без фиксации переключаемого положения — с самовозвратом в исходное положение. Особенность этих переключателей — наличие запирающего (на ключ) устройства, что исключает     бесконтрольное переключение.

Наиболее распространенными переключателями цепей управления являются аппараты серий ПКУ2 и ПКУЗ. Номинальный (длительно допустимый) ток переключателей серии ПК.У2 — 6 А при напряжении 380 В переменного тока и 220 В постоянного тока, а для переключателей серии ПКУЗ — 10 А при 500 В переменного тока. Как видно по техническим параметрам, такие         переключатели пригодны    и    для    непосредственного   включения и отключения довольно мощных потребителей электроэнергии, например электродвигателей мощностью в несколько киловатт.

Меньшими габаритами обладают переключатели серий ПУ и ПЭ, имеющие поворотные механизмы привода на два или три положения. Среди них имеется исполнение с выемным ключом-рукояткой. Такими переключателями, как правило, блокируют подачу напряжения в схему управления, изменяют режимы и способы управления. При этом предусмотрена возможность запирания переключателя как в отключенном, так и в других его положениях. Номинальный ток переключателей серий ПУ и ПЕ — 5 А при напряжении 220 В переменного тока и 1 А при ПО В постоянного тока.

Системы автоматического и программного управления требуют весьма сложных переключений, для которых необходимы многопозиционные и многоцепные переключатели (при числе цепей и положений порой в несколько десятков). Конструктивно такие коммутационные элементы выполнены в виде двух, четырех (и более) неподвижных секций, смонтированных на платах, и подвижных контактов, закрепленных на общем валу и фиксируемых специальным пружинно-шариковым фиксатором в заданных позициях.

На рис. 15.5 показаны наиболее распространенные ползунко-вые переключатели серии ПП однопаяельного исполнения на 35 це-

пей. Переключатели в открытом исполнении предназначены для встроенного монтажа за панелью управления. Аналогичные щеточные переключатели, но закрытого исполнения, имеют от 1 до 4 секций при числе контактов в каждой секции от 4 до 24. Они обеспе-

чивают надежную коммутацию при токе нагрузки до 1 А цепей переменного (напряжением 380 В) и постоянного (напряжением 220 В) тока.

В радиоэлектронной аппаратуре используются аналогичные пакетным переключатели — так называемые галетные. Они имеют от 2 до 11 положений при числе секций (галет) от 1 до 4. На рис. 15.6 показан переключатель серии ПГС на 10 положений.

В последнее время в автоматике все шире используются достижения микроэлектроники, например большие интегральные схемы. Для коммутации в цепях, содержащих подобные элементы, необходимы переключатели, контакты которых обеспечивали бы надежное прохождение очень слабых токов (милли- или микроамперы) при пониженных значениях напряжений (до 5 В). Рассмотренные в данном параграфе переключатели, как правило, такими свойствами не обладают, так как их контакты имеют значительные (порой в несколько ом) переходные сопротивления. В этом случае предпочтительнее применение клавишных переключателей с биметаллическими или серебряными контактами.

§ 15.4. Путевые и конечные выключатели

Путевые и 'конечные выключатели представляют собой коммутационные элементы, кинематически связанные с рабочей машиной и срабатывающие в зависимости от перемещения подвижной части рабочей машины. Путевые выключатели срабатывают в определенных промежуточных точках на пути перемещения, конечные выключатели срабатывают в крайних точках: в начале и конце пути. Особенно широко путевые и конечные выключатели используются в схемах автоматизированного электропривода различных производственных механизмов. С их помощью происходят автоматическое управление приводом на отдельных участках пути и автоматическое отключение в крайних положениях механизма.

В зависимости от устройства, осуществляющего замыкание или размыкание контактов, путевые и конечные выключатели можно подразделить на кнопочные (нажимные), рычажные, шпиндельные и вращающиеся. Переключение контактов в этих выключателях осуществляется следующим образом. В кнопочных — нажатием рабочего органа механизма на шток, с которым связаны контакты выключателя. В рычажных — воздействием рабочего органа механизма на рычаг, с которым связаны контакты. В шпиндельных — перемещением гайки по винту, связанному через передачи с валом механизма. Во вращающихся — переключающими кулачковыми шайбами, связанными с валом механизма.

В штоковых выключателях скорость переключения контактов определяется скоростью перемещения производственного механизма. При малой скорости взаимное перемещение подвижных и неподвижных контактов происходит медленно, что приводит к длительному горению дуги, возникающей между размыкающимися контактами, и их быстрому разрушению из-за оплавления и усиленного окисления. Для нормальной работы такого выключателя скорость перемещения механизма должна быть не менее 0,5 м/мин. А для обеспечения мгновенного переключения контактов используются специальные пружинные механизмы, освобождающиеся с помощью спусковых механизмов (собачек). Пружины также используются для обеспечения необходимой силы контактного нажатия. На рис. 15.7 показано устройство простого конечного выключателя. Закрепляется он таким образом, чтобы упор на подвижной части производственного механизма находился напротив штока 4. При нажатии упора на шток 4 последний давит на пружину 3. При достижении определенной силы нажатии пружина 3 перебрасывается влево, размыкая контакт 2 и замыкая контакт 1. При этом ток пойдет по другой цепи управления. Внешние соединения выключателя выполняются с помощью пайки к выводам: 5—неподвижный контакт (общий);. 6 — размыкающийся контакт 2; 7— замыкающийся контакт /. Плоская пружина 3 выполнена из трех частей. Средняя часть длиннее крайних, поэтому она всегда находится в изогнутом состоянии и стремится прижимать контакты в их крайних положениях (/ или 2). Переключатель способен работать в цепях с напряжением до 380 В при токе до 3 А. Перемещение штока составляет 0,5—0,7 мм, необходимое усилие для срабатывания не более 5—7 Н. Время срабатывания 0,01—0,02 с при частоте включений до двух раз в минуту.

На рис. 15.8 показан конечный выключатель типа ВК-111 с мо-стиковыми контактами. Переключение контактов производится нажатием на шток 1, а возврат контактов в исходное положение осуществляется пружиной 2. Использование мостикового контакта 3 уменьшает вероятность возникновения дуги, поскольку цепь разрывается в двух точках. Такие выключатели могут работать при токе включения до 20 А и длительном токе 6 А. Износоустойчивость  выключателей—106  срабатываний. Допустимая  частота —

600 включений в час.

На рис. 15.9 показан выключатель с малым временем срабатывания (моментпо-го действия). Контакты подобных выключателей переключаются с постоянной скоростью при определенном положении производственного механизма независимо от скорости движения. Поэтому их применяют при малых скоростях (до 0,5 м/мии) или при необходимости повышенной точности срабатывания (до 0,05 мм).

При нажатии упора па ролик 1 рычаг 2 поворачивается и давит на набор спиральных пружин 3, мгновенно действующих на поводок 4. Поводок поворачивается, и ролик 10, сжимая пружину 11, движется по планке 9, занимая положение правее от оси поворота планки 9. При этом собачка 6 отводится и контактный мостик под  действием   пружины   11   и   ролика   10 переорасывастся в другое положение, размыкая контакт 7 и замыкая контакт 8. После отхода упора от ролика 1 поводок 4 и контактный мостик возвращаются в исходное положение под действием пружины 5.

В некоторых случаях используются многопозиционные трех- и пятиконктактные датчики, последовательно управляющие несколькими управляющими цепями. Конструкции таких датчиков сложнее, и они значительно дороже двухконтактных.

Рассмотренные путевые и конечные выключатели имеют сравнительно низкую надежность, связанную с повышенным износом контактной пары. Более высокая надежность обеспечивается при использовании бесконтактных датчиков (например, индуктивного или фотоэлектрического типов), мгновенность срабатывания которых обеспечивается с помощью электронных схем.

Глава 16

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  КОНТАКТЫ

§ 16.1. Режим работы контактов

В коммутационных и электромеханических элементах, предназначенных для переключений электрических цепей при ручном и автоматическом управлении, основным является контактный узел. Именно надежность контактного узла определяет работоспособность любой коммутационной аппаратуры.

Контактный узел состоит из подвижного и неподвижного контактов. Эти контакты могут находиться в замкнутом и разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии сопротивление между контакта-

ми должно быть минимальным. Это сопротивление называют сопротивлением контактного перехода. Казалось бы, для того чтобы обеспечить малое сопротивление контактного перехода, надо увеличить площадь соприкосновения контактов. Однако даже при самой тщательной шлифовке поверхности контактов остается много микровыступов и микровпадин (рис. 16.1). Поэтому площадь реально контактируйте поверхности меньше площади контактов. Для того чтобы увеличить реальную контактирующую поверхность, надо приложить силу, прижимающую контакты друг к другу. В первый момент при сближении контактов они соприкасаются лишь в одной точке (рис. 16.1, а), площадь которой очень мала, а сопротивление контактного перехода велико. Усилие прижима F создает на малой площади большое удельное давление, что приводит к смятию материала контактов, увеличению площади соприкосновения и появлению новых точек соприкосновения (рис. 16.1, б). Удельное давление уменьшается, и процесс сближения контактов и смятия их материала завершится тогда, когда это удельное давление сравняется с пределом прочности материала на смятие. Характер зависимости сопротивления контактного перехода RK от удельного контактного давления .Fyд (рис. 16.1, в) показывает, что увеличение Fyд целесообразно только до некоторого предела, при котором сопротивление Rk уже достаточно близко к минимально возможному, определяемому электропроводностью материала контактов. Через замкнутые контакты проходит ток /, и они нагреваются под действием выделяющейся теплоты, соответствующей мощности потерь в контактном переходе: Pk=I2Rk. Поэтому допустимое значение тока, проходящего через контакты, зависит от термической прочности контактов и от условий теплоотвода, т. е. от конструкции и размеров контактов.

В разомкнутом состоянии сопротивление контактов должно стремиться к бесконечности (практически миллионы ом), что обеспечивается изолирующими свойствами среды п контактном промежутке и расстоянием между контактами. В разомкнутом состоянии контакты подвергаются химическому воздействию окружающей среды, происходит их коррозия. Эта коррозия заключается в образовании оксидных (под действием кислорода воздуха) и сульфидных (под действием серы воздуха) пленок. У некоторых материалов (например, у меди) эти пленки обладают большим сопротивлением, что приводит к увеличению сопротивления контактного перехода при замыкании контактов.

Наиболее тяжелый режим работы контактов связан с размыканием электрической цепи, поскольку при размыкании контактов между ними возникает электрическая дуга. При этом происходит расплавление контактов и их износ, который называется электрической эрозией.

Таким образом, в процессе работы контакты подвергаются механическому истиранию, химической коррозии и электрической эрозии. Уменьшить отрицательное влияние этих факторов можно при правильном выборе конструкции контактов и их материала.

§ 16.2. Конструктивные типы контактов

По форме контактирующих поверхностей все конструкции контактов могут быть подразделены на три основных типа: точечные, линейные и поверхностные. Точечные контакты (рис. 16.2, а) имеют вид конусов или полусфер, соприкасающихся с плоскостью или полусферой в одной точке. Такие контакты предназначены для переключения малых токов. Линейные контакты (рис. 16.2, б) имеют вид двух цилиндрических поверхностей, или призмы и плоскости, соприкасающихся по линии. Они предназначены для средних и больших токов. Плоскостные контакты (рис. 16.2, в) имеют соприкосновение по плоскости и предназначены для больших токов.

Контактные узлы включают в себя кроме контактов витые или плоские пружины, обеспечивающие силу прижима между контактами.

На рис. 16.3 показан рычажный контактный узел, состоящий из двух плоских пружин с неподвижным 1 и подвижным 2 контактами.

Пружины жестко закреплены одним концом в изоляционном основании 3. Перемещение подвижного контакта 2 происходит под действием упора 4. После того как подвижный контакт 2 переместится на величину раствора контактов х0, произойдет замыкание контактов. Обе пружины получат дополнительный прогиб на величину провала контактов хп, поскольку движение упора 4 немного продолжится. За счет этого   произойдет   проскальзывание   контактов (его еще называют притиранием), которое необходимо для удаления пыли и оксидной пленки с поверхности контактов.

На рис. 16.4 показан мостнковый контактный узел, обеспечивающий разрыв электрической цепи в двух местах, что повышает надежность работы. При перемещении упора 1 мостик с двумя подвижными контактами 3 перемещается в направлении двух неподвижных контактов 4 до соприкосновения контактов. Витая пружина

2 обеспечивает усилие прижима и возможность самоустановки подвижных контактов относительно неподвижных, что компенсирует износ контактов и некоторые неточности при их изготовлении. Полный ход упора 1 состоит из раствора контактов хо и провала хп (аналогично контактному узлу по рис. 16.3)

На рис. 16.5 показан рычажный контактный узел с шарнирным закреплением подвижного контакта 2, соприкасающимся с неподвижным контактом 3 по линии. Контактное нажатие осуществляется с помощью пружины 4. Перемещение подвижного контакта происходит при повороте рычага 1 против часовой стрелки относительно оси 0. Сначала подвижный контакт 2 перемещается на величину раствора контакта до соприкосновения с неподвижным контактом 3 в точке А. После этого подвижный контакт совершает сложное движение, поворачиваясь   одновременно   относительно оси О2

и вместе с рычагом 1 относительно оси О1 В результате подвижный контакт 2 перекатывается по неподвижному 3. В замкнутом поло-

женив контактирование происходит в точке В. Перекатывание способствует очищению контактов от окисиых пленок, а главное — точка В не подвергается электрической эрозии в момент размыкания контактов.

§ 16.3. Материалы контактов

При выборе материала контактов необходимо обеспечить выполнение целого ряда требований: большая механическая прочность, высокая температура плавления, хорошие теплопроводность и электропроводность, устойчивость против коррозии и эрозии. Низкая стоимость, конечно, желательна, но она не относится к основным требованиям. Основные требования — это те, которые обеспечивают высокую надежность.

Известны случаи, когда отказ одного-единственного контакта приводил к потерям, в миллионы раз превышающим стоимость этого контакта.

Перечисленным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяют серебро, золото, платина и их сплавы, вольфрам, медь (табл. 16.1).

Сопротивление контактного перехода определяется по формуле

                                           Rk=a/Fb                              (16.1)

где aкоэффициент, зависящий от материала и обработки поверхности контакта; F —контактное усилие; Ь — коэффициент формы контактов.

Для точечных контактов b =0,5; для линейных Ь = 0,55 0,7; для плоскостных b= 1,0.                                                

Коэффициент а для меди, например, находится в пределах от 0,07 до 0,28, т. е. может изменяться в четыре раза. Наименьшие значения а (и соответственно сопротивления RK) обеспечиваются при покрытии меди слоем олова (лужение). Слой олова препятствует образованию оксида, поэтому для луженых  медных контактов

коэффициент a<0,1. Большие значения а получаются для нелуженых плоскостных медных контактов, поскольку у них имеются участки, покрытые слоем окиси. Для серебряных контактов а = б,06. Интересно отметить, что электропроводность оксида серебра и чистого серебра примерно равны.

Для малых контактных усилии в высокочувствительных реле применяются благородные металлы (платина, золото, платиноирн-дии) при контактных усилиях F=0,010,05 Н. Эти материалы не окисляются и мало подвержены эрозии. При контактных усилиях F=0,05ч1 Н и малой частоте срабатывания применяется серебро, которое имеет хорошую электропроводность, легко обрабатывается, но имеет невысокую твердость и подвержено эрозии. При контактных усилиях F=0,31 Н и большой частоте срабатывания используются металлокерамические контакты, получаемые путем спекания смеси порошков двух металлов: серебра с вольфрамом, молибденом или никелем, меди с вольфрамом или молибденом. При контактных усилиях F>1 H и большой частоте срабатывания применяется вольфрам.

Наиболее дешевым материалом является медь, она применяется для мощных контактов, имеющих сравнительно большие размеры и требующих большого расхода материала. Контактные усилия для меди F>3 Н. Для защиты от коррозии кроме лужения применяется серебрение или кадмирование медных контактов.

Глава 17

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ НЕЙТРАЛЬНЫЕ РЕЛЕ

§ 17.1. Назначение. Принцип действия

В системах автоматики одним из наиболее распространенных элементов является реле— устройство, в котором при плавном изменении входного (управляющего) сигнала осуществляется скачкообразное изменение (переключение) выходного сигнала.

В электромеханических реле изменение (переключение) выходного сигнала осуществляется посредством контактов, а усилие, перемещающее контакты, создается электромеханическим преобразователем электрической энергии в механическую. Простейшим из таких преобразователен является электромагнит. Поэтому из электромеханических реле наибольшее распространение получили электромагнитные реле.

Пусть входной сигнал хвх изменяется во времени непрерывно (т. е. может принимать любые значения) от нуля до некоторого значения, а затем также непрерывно уменьшается, как показано на рис. 17.1, а. Сначала при малых значениях хвх выходной сигнал хвых равен нулю. Но когда входной сигнал увеличится до некоторого значения хвхср выходной сигнал скачком примет значение хвыхср (рис. 17.1, б). При дальнейшем увеличении входного сигнала выходной сигнал не изменяется и остается равным хвыхср. При уменьшении сигнала хвх значение выходного сигнала не изменяется, но при уменьшении его до значения хвыхотп выходной сигнал скачком уменьшается до нуля. При дальнейшем уменьшении входного сигнала нулевое значение выходного сигнала сохраняется. Зависимость выходного сигнала от входного показана на рис. 17.1, а.

Значение входного сигнала хвхср, при котором выходной сигнал скачком изменяется от 0 до хвыхср, называется сигналом срабатывания. Значение входного сигнала хвхотп, при котором выходной сигнал скачком изменяется от хвыхср до 0, называется сигналом отпускания. Как правило, сигнал срабатывания больше сигнала отпускания (.хвхср>хвыотп). Поэтому изменение хвых при увеличении *вх происходит по одному графику, а при уменьшении хвх —по другому (рис. 17.1, в). В этом случае можно сказать, что характеристика реле имеет петлю гистерезиса. В ряде случаев, когда значения сигналов срабатывания и отпускания близки, гистерезисом можно пренебречь. В этом случае зависимость хвыхfвх) показана на рис. 17.1, г. Теперь рассмотрим изменение выходного сигнала при изменении полярности входного сигнала. Если полярность выходного сигнала не влияет на полярность выходного сигнала, то при хвс=—хвхср выходной сигнал скачком изменяется от нуля до хвыхср (рис. 17.1, д). Такую характеристику имеют нейтральные реле. Если полярность выходного сигнала влияет на полярность выходного сигнала, то при хвх=—хвхср выходной сигнал скачком изменяется от нуля до —хвыхср (рис. 17.1, е). Такую характеристику и подобные ей имеют поляризованные реле.

По принципу дейстивя различают электромеханические реле, магнитные бесконтактные реле, электронные, полупроводниковые и фотоэлектрические реле и др.

Реле применяются в схемах автоматического управления, а также для сигнализации, защиты и блокировки.

Рассмотрим работу реле на примере схемы сигнализации, показанной на рис. 17.2, с использованием реле. Реле состоит из обмотки 1, размещенной на неподвижном сердечнике 2, подвижного якоря 3 и контактов 4, 5, 6. Сердечник с обмоткой и якорем представ ляет собой электромагнит. Когда под действием напряжения U по обмотке 1 проходит ток 1, якорь 3 притягивается к сердечнику 2 и перемещает подвижный контакт 6 влево. При этом контакты 5 и 6 размыкаются, а контакты 6 и 4 замыкаются. Контакт 6 размещен на плоской пружине. Когда ток в обмотке 1 прекратится, сила притяжения якоря 3 к сердечнику 2 будет равна нулю и усилие сжатой пружины контакта 6 заставит якорь вернуться в прежнее положение. При этом снова замкнутся контакты 5, 6 и разомкнутся контакты 6 и 4. Таким образом, основными частями реле являются электромагнит, контактный узел и противодействующая пружина.

Схема на рис. 17.2 работает следующим образом. Пока кнопка не нажата, ток в реле не поступает и горит лампа H L.1 (зеленая), которая питается напряжением сети переменного тока U.. через замкнутые контакты 5 и 0. Лампа HL2 (красная) при этом не горит, поскольку контакты 6 и 4 разомкнуты. Если нажата кнопка, то ток идет в обмотку реле, оно срабатывает (т. е. в электромагните якорь 3 притягивается к сердечнику 2) и замыкаются контакты 6. 4, а контакты 5, 6 размыкаются. Загорается лампа HL2 (красная), получая питание через контакты 6, 4, а лампа HL1 гаснет. Так будет до тех пор, пока нажата кнопка. Если ее отпустить, то схема возвратится в исходное состояние.

На рис. 17.3 показана электрическая схема, соответствующая рис. 17.2, на которой использованы стандартные условные обозначения элементов. Обмотка реле обозначена прямоугольником. Контактные пары 5—6 и 64 показаны в том состоянии, в котором они находятся, когда ток по обмотке реле не проходит. Контакты 56 называются размыкающими, контакты 64 — замыкающими. Обратите внимание на то, что обмотка реле и его контакты обозначены одинаковыми буквами К. На электрической схеме они могут находиться в самых разных местах, хотя конструктивно относятся к одному и тому же устройству. Одно реле может иметь несколько замыкающих и размыкающих контактов, но все они должны обозначаться одинаковыми буквами (или буквами и цифрами, если в схеме используется несколько реле).

Ток и мощность в цепи обмотки реле обычно значительно меньше, чем ток и мощность в цепи нагрузки, переключения в которой осуществляются с помощью контактов этого реле. Поэтому можно говорить о эффекте усиления, обеспечиваемом реле. Это значит, что кнопка а пени обмотки реле может быть маломощной. Например, вместо нее можно применить путевой выключатель или микропереключатель. А контакты реле уже могут быть достаточно мощными, но они размещены в более благоприятных условиях, чем управляющие контакты путевого выключателя, находящегося непосредственно на производственном механизме. Само реле находится обычно в каком-либо шкафу управления, а в конструкции реле предусмотрены меры но защите контактов.

§ 17.2. Основные параметры и типы электромагнитных реле

К основным параметрам электромагнитных реле относятся следующие.

Ток срабатывания /ср, при протекании которого по обмотке реле происходит срабатывание электромагнита и переключение контактов.

Рабочий ток /р, при котором обеспечивается надежное удержание контактов в переключенном состоянии. Обычно /Р>Icp.

Ток отпускания /отп, при котором электромагнит отпускает и контакты возвращаются в исходное состояние: /отп</ср.

Допустимый ток через контакты /к доп.

Допустимое напряжение между контактами U ДОп, которое ограничивается напряжением пробоя между разомкнутыми контактами.

Время срабатывания /cр— промежуток времени с момента подачи напряжения на обмотку реле до момента переключения коп-тактов.

Время отпускания /отn — промежуток времени с момента снятия напряжения с обмотки реле до момента отпускания реле.

По мощности управления (электрической мощности, потребляемой обмоткой) реле разделяют на маломощные (Ркдоп <1 Вт), средней мощности (Ркдоп— 1-10 Вт) и мощные (Ркдоп >10 Вт). Мощность управления определяется напряжением питания реле и током срабатывания.

По времени срабатывания электромагнитные реле подразделяются па быстродействующие (tср<50 мс), нормальные (tcp — 50  150 мс) и замедленные (/ср = 0,15М с). Для получения задержки срабатывания па время больше секунды служат специальные реле времени.

В зависимости от питания обмотки реле и способа создания магнитного поля различают электромагнитные реле постоянного и переменного тока. В свою очередь, электромагнитные реле постоянного тока разделяются па нейтральные и поляризованные. В нейтральных реле независимо от направления тока в обмотке срабатывают одни и тс же группы контактов. В поляризованных реле при одном направлении тока в обмотке срабатывает одна группа контактов, при другом направлении тока — другая группа контактов.

По характеру движения якоря электромагнитные нейтральные реле разделяют па два типа: с поворотным якорем и с втяжным якорем.

Отечественная промышленность выпускает в большом количестве электромагнитные реле разных типов для разнообразного применения. Для промышленной автоматики в последнее время освоены промежуточные реле серий РП20, РП21 и РПЛ с приставками. Реле РП20 и РП21  применяются в цепях управления лектроприводами с питанием от сети переменного тока напряжением до 440 В и от сети постоянного тока напряжением до 220 В Они могут иметь устройства для гашения дуги и число контактов до 8. Реле РПЛ применяются для коммутации цепей переменного тока напряжением до 660 В и цепей постоянного тока напряжением до 440 В. К этим реле имеются приставки типа ПКЛ отличающиеся числом контактов (до четырех размыкающих и замыкающих), приставки ПВЛ, обеспечивающие выдержку времени от 0,1 до 180 с, приставки ППЛ, обеспечивающие удерживание контактной системы реле во включенном состоянии после обес-точиваиия обмотки реле.

Наиболее разнообразны реле для радиоэлектроники. Самые большие из них (типов РКА, РПН, МКУ-48 и др.) применяются главным образом в аппаратуре связи, но могут использоваться и для промышленной автоматики. Самые маленькие (типа РЭС) называются миниатюрными. Например, реле РЭС 80 имеет массу 2 г и габаритные размеры 5,3X10,4X10,8 мм. Элементы контактного узла миниатюрных реле крепятся непосредственно па металлических выводах цоколя.

§ 17.3. Электромагнитные реле постоянного тока

Устройство электромагнитных реле постоянного тока показано на рис. 17.4: а —с поворотным якорем, б —с втяжным яко-

рем. Основные детали и узлы реле имеют следующие обозначения: / — катушка на каркасе; 2 — ярмо; 3 — сердечник; 4 — якорь;

5 — штифт отлипания (немагнитная прокладка); б — возвратная пружина; 7— подвижные контакты; 8 — неподвижные контакты.

Магпитопровод электромагнитного механизма реле состоит из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть называется якорем. Неподвижная часть состоит из сердечника, который находится внутри катушки, и ярма — той части магпитопроиода, которая охватывает катушку.

В реле с поворотным якорем (рис. 17.4, а) электромагнитный механизм и контактный узел закреплены на общем изоляционном основании 9. При протекании тока по обмотке катушки / якорь 4 притягивается к сердечнику 3 и совершает поворот относительно точки опоры А. При этом якорь перемещает подвижный контакт 7, который размыкается с неподвижным контактом 8' и замыкается с неподвижным контактом 8". Контакты закреплены на плоских пружинах 10, которые служат и для подсоединения к внешней цепи. Когда ток через обмотку реле прекращается, якорь поворачивается в исходное положение.

В некоторых реле это происходит под действием силы тяжести якоря, в некоторых — под действием контактных пружин или специальной возвратной пружины 6. Для того чтобы якорь при обссточивапии обмотки не прилипал к сердечнику из-за остаточного намагничивания магпитопровода, па якоре устанавливается штифт отлипания 5 — пластинка из немагнитного материала, обеспечивающая зазор примерно в 0,1 мм между якорем и сердечником при срабатывании реле. Обычно сердечник имеет полюсный наконечник 11 для уменьшения магнитного сопротивления рабочего воздушного зазора.

В электромагнитном реле с втяжным якорем (рис. 17.4, б) при протекании тока по обмотке катушки 1 якорь 4 втягивается внутрь ее до упора в сердечник 3. При этом подвижные мостиковые контакты 7 размыкаются с неподвижными контактами 8' и замыкаются с неподвижными контактами 8". Возврат якоря 4 в исходное положение при обесточивании реле происходит под действием возвратной пружины 6. Как и в реле с поворотным якорем, для исключения залипания якоря служит штифт 5. Для возврата якоря в исходное положение может использоваться и сила тяжести якоря.

§ 17.4. Последовательность работы электромагнитного реле

Рассмотрим последовательность работы электромагнитного реле с момента подачи напряжения на обмотку реле до момента снятия напряжения с обмотки и возвращения якоря в исходное положение. Поскольку обмотка реле имеет индуктивное сопротивление, ток в ней не может измениться скачком. Изменение тока щадь Оbф на рис. 17.6, а), и энергии, распределенной в стальных частях магнитопровода (заштрихованная площадь Оаb на рис. 17.6, а). Магнитопровод реле обычно не насыщен, т. е. работа реле происходит на прямолинейном участке кривой намагничивания.

Поскольку воздушный зазор имеет  сравнительно большую величину, можно пренебречь второй частью энергии (площадью Oab). Магнитную энергию, запасенную в воздушном зазоре, приближенно определяем как площадь всего треугольника ОаФ:

Wb=Iw Ф/2.        (17.4)

Теперь рассмотрим процесс, изменения энергии магнитного поля при перемещении якоря, полагая ток в обмотке реле неизт мепным: I = const. При перемещении якоря уменьшается зазор, а магнитный поток увеличивается от Ф1 до Ф2. Следовательно, изменение энергии AW можно при-

ближенно определить как площадь   прямоугольника   Ф,аbф2  на рис. 17.6, б:

 

До начала движения якоря энергия поля определялась площадью треугольника ОаФ1, после перемещения якоря на б энергия поля определялась площадью треугольника ОbФ2. Разница этих площадей и даст нам изменение магнитной энергии в воздушном зазоре:

 

Изменение энергии AW по уравнению (17.5) произошло за счет поступления энергии из сети. Половина ее, как видно из уравнения (17.6), пошла на изменение энергии в воздушном зазоре. Куда же была израсходована вторая половина энергии AW, численно примерно равная AWb?

Эта вторая половина энергии (на рис. 17.6, б она соответствует площади треугольника Oab) расходуется на создание механической работы Aмех при перемещении якоря под действием электромагнитной силы Fa:

Подставляя в (17.7) выражение (17.6), получим 

 

Магнитный поток в воздушном зазоре создается за счет магнитодвижущей силы (МДС) (/w) в и пропорционален магнитной проводимости зазора Ge.

Так как мы приняли /=const, то и МДС (/w)  = const, а изменение потока Ф = Ф2—Ф1 происходит за счет изменения проводимости воздушного зазора G: 

Для воздушного зазора длиной б между двумя плоскостями, площадь сечения которых s, магнитная проводимость определяется по формуле

Подставляя (17.11) и значение 0 в (17.10), получим электромагнитную силу при изменении зазора от до нуля:

Эту формулу можно преобразовать, учитывая что

Из (17.12) следует, что электромагнитное тяговое усилие прямо пропорционально квадрату МДС, т. е. не зависит от направления тока в обмотке реле. Эта сила тяги обратно пропорциональна квадрату длины б воздушного зазора. Тяговая характеристика Faf() показана на рис. 17.7. В зоне малых зазоров реальная тяговая характеристика отличается от теоретической, построенной по (17.12), — штриховая кривая на рис. 17.7. Напомним, что мы выводили уравнение силы тяги, приняв некоторые допущения. При малых зазорах необходимо учитывать магнитное сопротивление стальных участков   магнитопровода,   которыми   мы   пренебрегли.

Рассмотрим теперь механическую характеристику реле. Перемещению якоря реле в направлении сердечника противодействуют силы упругих элементов. Такими упругими элементами являются возвратная и контактная пружины.

Подвижный контакт реле обычно размещается на плоской пружине, представляющей собой упругую металлическую пластину, один конец которой жестко закреплен, а другой может перемещаться (см., например, контакт 6 на рис. 17.2). Противодействующая сила, развиваемая плоской пружиной, определяется по формуле

где E —модуль упругости материала пружины; I=bh3/12 — момент инерции пружины; b — ширина; h — толщина пружины; I — расстояние от места закрепления пружины до точки приложения силы; х — перемещение пружины в точке приложения силы.

В исходном состоянии пружина не деформирована, сила равна нулю. Перемещение пружины х при срабатывании реле будет происходить в направлении уменьшения зазора, поэтому зависимость Fь{) имеет вид

                                                                                                                               (17.15)

                                                                                              В качестве возвратных обычно используются, витые пружины. Зависимость усилия, развиваемого винтовой пружиной, от перемещения имеет вид, аналогичный уравнению (17.15):

                                                                                                                               (17.16)

                                                                                             

                                                                                             где G — модуль упругости при сдвиге; J — момент инерции при кручении;  г — радиус    витка пружины; n —число витков; Fnar— сила предварительного натяга пружины.

Графики зависимости противодействующих сил пружин имеют вид прямых линий, поскольку эти силы пропорциональны деформации (перемещению) пружины.

Рассмотрим построение механической характеристики реле на примере контактной группы, показанной на рис. 17.8, а. При срабатывании реле якорь 1 сначала преодолевает натяжение винтовой пружины 4, затем, когда конец рычага доходит до контактной пластины 2, добавляется усилие от ее деформации, а когда контакт пластины 2 замыкается с контактом пластины 3, добавляется и усилие от деформации этой пластины 3. Механическая характеристика Fм=f() показана на рис. 17.8,6. В исходном состоянии на якорь действует лишь начальное усилие Fнач — предварительный натяг пружины 4.

При изменении зазора о на 6i будет холостой ход рычага якоря до соприкосновения с пластиной 2, противодействующая сила возрастает пропорционально деформации винтовой пружины 4 (участок ab).

Затем наклон прямой резко возрастает, поскольку началась деформация пластины 2 (участок be). Такой наклон сохраняется приизменении зазора   на 2 — холостой ход пластины 2 до соприкосновения с пластиной 3. Затем наклон прямой еще возрастает, поскольку началась деформация пластины 3 (участок cd). Рост противодействующего усилия прекращается, когда якорь полностью притянется к сердечнику. Величина зазора при этом равна толщине штифта отлипания о- Из построения видно, что механическая характеристика имеет вид ломаной линии, где каждый отрезок характеризует работу какой-либо группы пружин.

В том случае, когда все пружины, создающие противодействующее усилие в контактной группе реле, имеют начальное натяжение, переход с одного от-резка   на  другой  происходит скачком   (в точках b  и  с на  рис. 17.8, в).

Для работы реле необходимо, чтобы тяговая и механическая характеристики были согласованы. Для срабатывания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току срабатывания, везде находилась выше механической характеристики. При начальном зазоре эти характеристики имеют общую точку (точка А па рис. 19.9). Для отпускания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току отпускания, везде находилась ниже механической характеристики. При минимальном зазоре эти характеристики могут иметь общую точку (точка Б на рис. 17.9).

§ 17.6. Основы расчета магнитопровода электромагнитного реле

Для определения тяговой характеристики проводят расчет магнитной цепи реле. При этом определяют и