книги / Электромеханические аппараты автоматики
..pdfРис. 5.47. Зависимость термо-ЭДС от температуры
Tz тх |
АТ Т1 Т |
|
«е------2*- |
Термоэлектрические датчики применяются в устройствах измерения температуры и в различных автоматических устрой ствах [78, 80, 83].
Обычно зависимость термо-ЭДС Ет от температуры Т (рис. 5.47) определяется по кривым или таблицам. Если температура холодного спая Т2Ф0, то возникает погрешность АГ, а измеря емая термо-ЭДС ЕТх определяется как
(5.46)
где ETi, ЕТ1— термо-ЭДС, соответствующие Тх и Г2; 7\ — температура горячего спая.
5.13. ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
В основе работы этих датчиков лежит воздействие входных величин (перемещения, усилия и т. п.) на интенсивность светового потока.
Оптические датчики относятся к радиационным, у которых от входных величин зависит интенсивность потока энергии (света, заряженных частиц, акустической волны, теплового потока и т. д.). Оптические датчики работают по дифференциальному принципу измерения светового потока, при приближении или удалении источника света, по счету световых импульсов (импульсные) и т. д.
В качестве оптических излучателей используются лампы накаливания, ртутные точечные лампы, тлеющего разряда, дневного света, осциллоскопические трубки, светящиеся со ставы, электролюминофоры, ртутно-кварцевые лампы и т. д.
Приемниками могут быть фотоэлементы с внешним фотоэф фектом, фотоумножители, фотодиоды, фотосопротивления, фо тодиоды, фототранзисторы, чувствительные к положению луча света и т. д.
Основными параметрами приемника излучения являются: 1) чувствительность, А/лм или А/лм -В (для фотосопротив
лений); 2) спектральная характеристика, т. е. зависимость чувст
вительности от длины световой волны;
3) частотная характеристика— это зависимость чувствитель ности от частоты изменения (модуляции) светового потока;
4)параметры источника питания: вольт-амперная харак теристика, напряжение питания;
5)площадь приемного окна, габариты.
В системах автоматики часто применяются фотоэлементы с внешним (вакуумные, газонаполненные) или внутренним фотоэффектом. Применяются также фотоумножители, сочетающие в одном баллоне вакуумный фотоэлемент с вторично-электронным усилителем. Их чувствительность доходит до сотен А/лм.
Фоторезисторы представляют собой полупроводники, про водимость которых резко возрастает при их облучении. Применяются сернистокадмиевые (ФСК), сернистосвинцовые (ФСА), селенистосвинцовые (ФСИ), сернистовисмутовые (ФСБ), селенистокадмиевые (ФСС; СФД) и селеновые фоторезисторы.
Фотодиод представляет собой структуру с р-п переходом, облучаемым светом. Энергия света расходуется на перенос носителей тока через р-п переход, в результате чего образуется напряжение на нагрузке. На рис. 5.48, а показаны ВАХ фотодиода при различных световых потоках Ф0-нФ3. С увеличе нием потока возрастает обратный ток диода. Возможны два режима использования фотодиодов: в вентильном режиме (рис. 5.48, б) и диодном (рис. 5.48, в).
В вентильном режиме напряжение нагрузки достигает Uu ы 1 В. Выходное напряжение С/вых при некотором напряжении источника питания С/4 в диодном режиме может быть опре делено графически (рис. 5.48, а) вычислением угла 0 = arctg RH и построением линии ВС, которая при заданном световом потоке Ф3 отсекает на ВАХ в третьем квадранте напряжение
Рис. 5.48. Вольт-амперныс характеристики (а ), вентильная (б) и диодная (в)
схемы включения фотодиода
8)
Рис. 5.49. Схемы включения фототранзисторов для измерения больших све товых потоков (а), слабых световых сигналов (б) и световых импульсов (в ); U6 базы
Напряжение нагрузок в вентильном режиме может быть определено аналогичным построением линии ОА, точка D ко торой определяет {/„ при потоке Ф2, а точки F и G— соответственно режимы короткого замыкания и холостого хода. Фотодиоды обладают высокой чувствительностью и ма лыми габаритами.
Фототранзисторы могут выполняться в виде структур р-п-р или п-р-п. Их базовая область доступна воздействию света. Под воздействием облучения в базовой области образуются пары электрон-дырка. В связи с этим изменяется разность потенциалов между базовым и эмиттерным слоями. Поэтому
коллекторный ток |
/к пропорционален световому потоку Ф. |
На рис. 5.49 изображен ряд схем включения фототран |
|
зисторов. Схема |
рис. 5.49, а применяется для измерения |
больших световых потоков (схема со свободной базой). В схеме рис. 5.49, б темновой ток (при Ф = 0) примерно на порядок меньше, чем в предыдущей схеме. Во столько же раз больше выходное сопротивление. Такая схема используется совместно
с усилителем |
для |
измерения |
слабых |
сигналов. |
В схеме |
рис. |
5.49, в в |
качестве |
сопротивления z для |
обнаружения кратковременных импульсов применяется дроссель либо при измерении модулированных световых сигналов парал лельно включенный LC-контур, настроенный на частоту мо дуляции света. Такая схема обладает повышенной чувствитель
ностью к |
полезному |
сигналу |
и малой чувствительностью |
к помехам, |
поскольку |
входное |
сопротивление Лэб мало. |
Рис. 5.50. Фотодиод, чувствительный к положению луча света:
а — схема включения; б — характеристика вход-выход
Фотодиоды, чувствительные к положению луча света, представляют собой плоскостной диод с тремя — пятью вы водами (рис. 5.50, а). Луч света изменяет сопротивление пластины полупроводника, поскольку перемещение луча х вы зывает перемещение участка с пониженным сопротивлением, что вызывает разбаланс моста.
Фотодиод применяется в качестве реостатного датчика, где роль сопротивления играет пластина германия. Характеристика С/Вых (х) (рис. 5.50, б) линейна в пределах перемещений ±(0,25— 0,8) мм. Чувствительность датчика находится в пределах 0,01—0,1 В/мм. С помощью такого датчика обнаруживается перемещение луча до 10“2 мкм. Внутреннее сопротивление датчика составляет 0,5—30 кОм.
Кроме рассмотренных приемников применяются также фото тиристоры, используемые для изготовления бесконтактных фотореле, логических оптоэлектронных схем, схем задержки и т. д.
При выборе источника и приемника излучений согласовыва ются их спектральные характеристики как между собой, так и со спектральными характеристиками среды, через которую должен проходить световой поток. При этом инфракрасная область излучений применяется для оптических систем, работа ющих в атмосфере, содержащей взвешенные частицы твердого или жидкого вещества (дым, туман и т. д.).
5.14. РАДИОИЗОТОПНЫЕ ДАТЧИКИ
В таких датчиках используются жесткие излучения (а, р, у, х). Они обладают рядом преимуществ перед другими
видами |
датчиков: |
|
1. |
Их |
источники не требуют питания. |
2. |
Большая проникающая способность у- и х-излучений, |
|
позволяющая контролировать перемещение деталей или ве ществ в герметически закрытых объемах.
3.Поглощение излучения в веществе определяется толщиной слоя и атомным номером вещества, что дает возможность бесконтактного измерения толщины практически любых ма териалов.
4.При облучении вещества жестким излучением возникает
вторичное излучение, энергия которого определяется составом вещества, что дает возможность контролировать состав и тол щину гальванических покрытий.
5. Вторичное излучение при определенных условиях может поглощаться вследствие явления резонансного поглощения. Это возникает, например, при взаимном перемещении излуча теля и поглощающего тела (эффект Мёссбауэра). Это явление может быть использовано для точных измерений малых скоростей, гравитационных ускорений.
Основные принципы построения радиоизотопных |
датчиков |
такие же, как и оптических. Радиоизотопные датчики |
применя |
ются для измерения толщин различных материалов, |
уровней |
жидкостей в различных сосудах, плотности веществ. а-Излучение представляет собой поток ядер гелия и имеет
большую ионизирующую способность. Источники а-излучения
выполняются в виде |
пластин, |
покрытых слоем |
изотопа. |
P-Излучение представляет собой поток электронов. Источник |
|||
P-излучения помещается в арматуру из алюминия или другого |
|||
вещества. Диаметр |
активного |
пятна находится |
в пределах |
10— 50 мм. |
|
|
|
у-Излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны ^< 3 -1 0 “ 11 м. Источниками у-излучения являются кобальт 60 или полоний 210, изготовляемые в виде проволок или цилиндров и помещаемые в свинцовый контейнер.
Рентгеновское излучение (х-лучи)— это электромагнитное излучение с Х=10_8-ь10-11 м. Оно образуется при бомбар дировке потоком электронов мишеней из тяжелых металлов. В качестве источников х-излучений используются рентгеновские трубки.
Основным видом приемника жестких излучений является ионизационный счетчик, представляющий собой двухэлектрод ную газонаполненную лампу, электроды которой располага ются коаксиально. В качестве наполнителя используются неон или аргон. При наличии внешнего источника ионизации между
электродами |
течет |
ток (рис. 5.51, а). |
||
В |
зависимости |
от |
приложенного напряжения различают |
|
ряд |
режимов |
работы |
счетчика. |
|
1.Ионизационная камера соответствует режиму насыщения
(горизонтальный участок кривой рис. 5.51, б) при |
U2- |
Этот режим применяется для измерения излучений больших
интенсивностей |
при малых величинах тока в импульсе |
(10-18- 1 ( Г 14 |
А). |
Рис. 5.51. Схема включения ионизационного |
счетчика (а) и его ВАХ (б) |
||
2. Режим |
пропорционального |
счетчика |
соответствует |
U2^ U ^ U 3, когда возникает вторичная ионизация газа (газовое усиление). Здесь сохраняется пропорциональность между чис лами первичных и вторичных ионов.
3. Режим самостоятельного разряда (U + ^U ^U s) или счет чика Гейгера. В этом режиме при попадании частицы возникает лавинообразный процесс ионизации. Для гашения начавшегося разряда подается импульс обратного напряжения или же в газ вводятся гасящие добавки: спирт, изопентан, хлор, бром.
Преимущественное применение имеют самогасящиеся счет чики, как самые чувствительные.
Счетчики выполняются цилиндрическими либо торцовыми. Последние в торце имеют приемное окно, закрытое пленкой слюды.
Наряду с газоразрядными применяют сцинтилляционные датчики, преобразующие жесткое излучение в видимый свет.
Сцинтилляционные датчики состоят из фотоумножителя и люминесцирующего вещества. При попадании частицы или кванта возникает вспышка света, воспринимаемая фотоум ножителем.
Кроме того, применяются кристаллические счетчики для индикации у-излучения. По принципу действия они аналогичны фотодиодам и фоторезисторам [78, 80].
5.15. ЭЛЕКТРЕТНЫЕ ДАТЧИКИ
Общие сведения об электретах приведены в § 2.4.5. По стоянное электрическое поле электрета используется либо непосредственно, либо косвенно (индуцирование переменного тока в поле электрета). В большинстве случаев электреты используются в электретных микрофонах, вибродатчиках, тахометрах и т. д.
При колебании в поле электрета металлических электродов по их цепи течет переменный ток. На этом принципе выполнены
256
Рис. 5.52. Электретный микрофон:
1— электрет; |
2 — металлическая |
сетка; |
3 — мембрана; |
4 — металлический |
корпус; |
5 — изолятор |
|
|
|
|
|
■о |
|
|
* |
VSux |
Рис. 5.53. |
Электрет |
|
■о |
ный тахометр (а), схе- |
|
|
|
ма включения (б) |
4 ------ ^ |
|
|
акустические датчики — электретные микрофоны. Одна из про стейших конструкций такого микрофона представлена на рис.
5.52 [20]. Электрет 1 обращен своей свободной |
поверхностью |
к металлической сетке 2 и мембране 3. Сетка |
изолирована |
от металлического корпуса 4. При колебании мембраны (входной акустический сигнал х) характеристики электрического поля электрета изменяются, в результате чего на сетке индуцируются переменные заряды, создающие переменный ток (выходной сигнал у) в обмотке трансформатора на выходе микрофона.
Электретный микрофон может работать с обычным вы сокоомным телефоном. Микрофон обратим. Если на мембрану подается переменное напряжение от микрофона, она начинает колебаться в постоянном поле электрета. Под воздействием человеческого голоса средней громкости в электретном мик рофоне развивается напряжение в несколько вольт на входном сопротивлении 1 МОм.
В вибродатчиках колебания возникают за счет вибрации контролируемого объекта. Чем интенсивнее вибрирует конт ролируемый объект, тем больше ток на выходе.
На основе электретного микрофона выполняются датчики быстроменяющихся давлений, обладающие рядом преимуществ перед емкостными и пьезоэлектрическими: отсутствием вне шнего стабилизированного высокочастотного источника пита ния или усилителя выходных сигналов, отсутствием залипания' мембраны под действием остаточного заряда или потока,
отсутствием пробоев при перенапряжениях воздушных проме жутков между обкладками конденсатора. Они термостойки, обладают большим удельным сопротивлением, механически прочны и т. д.
Для измерения скорости перемещения или частоты вращения применяются электретные тахометры, в которых электрет движется относительно потенциального электрода (рис. 5.53) [20]. Проходя мимо неподвижного потенциального электрода 1 электрет 2, наклеенный на вращающийся ротор 3, индуцирует импульс напряжения на выходе тахометра. Частота вращения ротора определяется по амплитуде или частоте этих импульсов. Тахометр может быть выполнен в виде отдельного прибора или совмещен с контролируемым механизмом. В качестве электрета используется полимерная пленка толщиной в несколь ко десятков микрометров. Электретный тахометр не требует источника питания и весьма прост по конструкции.
Облучение электретов а-, Р- и у-лучами приводит к сниже нию их заряда. Проникающее излучение ионизирует воздух вокруг электретов. Возникшие ионы осаждаются на поверхности электрета, компенсируя заряд. Чем выше степень ионизации газа, тем в большей мере экранируется заряд электрета и тем меньше его значение. На этом принципе работают электретные дозиметры проникающей радиации. Заряд электрета измеряется до и после внесения в зону облучения. По степени уменьшения заряда судят об интенсивности радиации. Необходимо учиты вать, что проникающая радиация может вызвать необратимые изменения в материале электрета. Поскольку измеряемый заряд электрета зависит от давления и относительной влаж ности газа, возможно выполнение электретных датчиков дав ления газа и гигрометров.
Глава шестая
МУФТЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
Муфты с электрическим управлением используются в качест ве исполнительных элементов систем автоматики. В некоторых случаях эти муфты предпочтительнее исполнительных элект родвигателей, поскольку обеспечивают большее быстродействие при регулировании частоты вращения, имеют более простую конструкцию и схему и более высокую надежность.
Различают индукционные, электростатические и электромаг нитные муфты. Электромагнитные муфты, в свою очередь, подразделяются на фрикционные, ферропорошковые, магнитно-
258
Рис. 6.2. Механические характеристики индукционной муфты с массивным ро тором
эмульсионные и гистерезисные. К механическим характеристи кам муфт любого типа обычно предъявляется требование линейности.
6.1. ИНДУКЦИОННЫЕ МУФТЫ
По принципу работы такие муфты, называемые также муфтами скольжения (рис. 6.1), близки к асинхронндму двига телю с короткозамкнутым ротором. Из-за отсутствия меха нического контакта ведомого и ведущего валов такие муфты допускают значительные перегрузки. Их механические харак теристики близки к линейным.
Магнитный поток создается обмоткой возбуждения, пи тающейся постоянным током. К обмотке возбуждения 7, выведенной на контактные кольца, подводится постоянное напряжение управления Uy. Магнитный поток Ф, созданный этой обмоткой, замыкается по магнитопроводу индуктора 2 и якорю 4. При вращении якоря, который имеет короткозамкнутую обмотку либо выполняется в виде мас сивного ротора, в нем индуцируются токи, создающие
при взаимодействии с потоком вращающий электромагнитный момент на ведомом валу 3, передаваемый нагрузке. Вра щающий момент равен нулю при синхронной частоте вращения ведущей и ведомой частей и максимальному значению при некоторой меньшей скорости, например при пуске.
На рис. 6.2 показаны механические характеристики муфты с массивным ротором. Регулируя ток возбуждения /в и соот ветственно магнитный поток Ф, можно плавно и в широких пределах регулировать частоту со2 вращения ведомого вала и момент М, передаваемый муфтой. Механические харак теристики в сильной степени зависят от момента сопротивления Мс нагрузки. При возрастании Мс уменьшается частота вращения ведомого вала. При этом равновесие наступает при более низкой частоте со2. Для стабилизации точки равновесия применяются специальные регулирующие устройства.
В следящих системах возникает необходимость реверсирова ния муфты. В этом случае предусматриваются две ведущие части, вращающиеся в противоположных направлениях и по очередно или одновременно воздействующие на ведомую часть муфты. Две ведущие части могут приводиться во вращение одним приводным двигателем с помощью промежуточного механического реверсирующего звена либо двумя отдельными приводными двигателями.
Если ведущий вал и связанный с ним индуктор движутся
относительно проводящей поверхности |
массивного ротора, то |
|||
в ней наводится ЭДС |
[78]: |
|
|
|
|
|
e = Blv, |
(6.1) |
|
где / — геометрический |
размер |
(рис. 6.1); v— скорость сколь |
||
жения. |
наведенной |
ЭДС, |
|
|
Ток, вызванный |
|
|||
|
|
i=e/R. |
(6.2) |
|
Сопротивление |
контура протекания |
тока |
||
|
|
R = Kpl/Aa, |
(6.3) |
|
где К — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления за счет частей поверхности, лежащих вне полюса; а — геомет рический размер (толщина полюса); Д — глубина проникновения волны магнитного потока в тело массивного ротора.
Электромагнитное усилие, |
воздействующее на |
ведомую |
-поверхность якоря, с учетом |
(6.1)—(6.3): |
|
Р,„ = BU= В 2l2Aav/( Kpl) = Ф2Дг/(KpS„) , |
(6.4) |
|
где S„— сечение полюса. |
|
|
260