8 Элементы и устройства систем автоматического управления

8.1 Датчики систем автоматики

Общие сведения. Датчиком в системе автоматического контроля и регулирования называют специальное устройство, служащее для преобразования контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал.

Датчик состоит из одного или нескольких элементов (преобразователей). Главным элементом датчика является первичный преобразователь, воспринимающий контролируемую величину и называемый чувствительным элементом. Чувствительные элементы по физическому принципу могут быть электрические, механические, акустические, оптические, тепловые, гидравлические, радиоактивные, электромагнитные и т. п.

Наибольшее распространение в системах автоматики, применяемых в транспортном строительстве, получили датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические, так как выходной сигнал (ток, напряжение) может записываться, передаваться на расстояние и тем самым дистанционно управлять производственным процессом.

Основными характеристиками датчика являются статическая характеристика и чувствительность.

Статическая характеристика датчика отображает функциональную зависимость выходной величины y от входной величины х, т. е.

,

где y – величина, полученная после преобразования (выходная); х – контролируемая (входная) величина, действующая на датчик.

При плавном изменении выходной величины статическая характеристика датчика представляет собой плавную кривую. При скачкообразном изменении выходной величины статическая характеристика имеет разрывной характер. Такие датчики называют датчиками с релейной характеристикой. По статической характеристике датчика определяют его чувствительность.

Чувствительность датчика показывает степень изменения выходной величины в зависимости от изменения входной:

.

Так, например, чувствительность термопары показывает степень изменения развиваемой ею термоэлектродвижущей силы при изменении температуры. Наименьшее изменение входной величины, вызывающее заметное изменение выходного сигнала, называют порогом чувствительности датчика.

По выходной величине все электрические датчики разделяются на параметрические и генераторные.

Параметрическим датчиком называют датчик, которых для совей работы требует дополнительного источника питания. Примером такого датчика может служить термометр сопротивления, у которого контролируемая величина – температура – преобразуется в изменение электрического активного сопротивления, а значит, и тока за счет источника питания, включенного в диагональ моста, т. е. к зажимам термометра.

Генераторным датчиком называют датчик, который для своей работы не требует дополнительного источника питания. Примером генераторных датчиков являются: термопара, в которой за счет энергии входной величины (температуры) возникает электродвижущая сила (выходная величина); тахогенератор; пьезодатчики и др.

Датчики выполняют контактными и бесконтактными. Чувствительный элемент в контактных датчиках непосредственно соприкасается с контролируемым объектом, а в бесконтактных не соприкасается. К бесконтактным относятся радиоактивные, ультразвуковые фотоэлектрические и электромагнитные датчики.

При автоматизации существующих и разрабатываемых вновь производственных и строительных процессов в транспортном строительстве, а также при автоматизации строительных и дорожных машин приходится измерять, контролировать и регулировать разнообразные параметры технологических операций, как например, скорости, углы наклона, перемещения, крутящие моменты, уровни, механические напряжения, температуры и т. д., для чего применяют различные датчики.

Датчики перемещения. Потенциометрические (реостатные) датчики применяются для преобразования угловых и линейных перемещений в электрический сигнал. Датчики такого типа (рис. 8.1) представляют собой переменное электрическое сопротивление R_П, к концам которого прикладывается напряжение питания U₀ .

Рис. 8.1. Схема включения потенциометрического датчика

Выходное напряжение U₁ снимается при помощи подвижного контакта (движка) с переменного сопротивления (потенциометра) R_П. При линейном или угловом перемещении детали, положение которой контролируется датчиком, контакт (движок) скользит по намотке. Потенциометры работают в схемах с источниками постоянного и переменного тока и широко используются в следящих системах в качестве измерительных элементов. Реостатные датчики выпускаются с проволокой, намотанной на корпус, или реохордного типа. В устройствах автоматики чаще применяется включение их по схеме делителя напряжения.

Тензометрические (проволочные) датчики применяют для преобразования механических напряжений, усилий и деформаций в различных механизмах и конструкциях в электрический сигнал. Наиболее распространены тензодатчики, у которых при внешнем воздействии изменяется активное сопротивление чувствительного элемента. Такие датчики называют тензорезисторами. Наиболее распространенный проволочный датчик (рис. 8.2) состоит из проволоки диаметром от 15 до 60 мк, уложенной зигзагообразно и обклеенной с двух сторон тонкой бумагой. К концам проволоки присоединены выводные проводники для включения датчика в измерительную сеть.

Рис. 8.2. Проволочный тензодатчик:

а – вид при снятом покрытии; б – поперечное сечение; в – конструкция; 1 – выводные провода; 2 – проволока; 3 – подкладка из бумаги или лаковой пленки; 4 – покрытие из бумаги, фетра или лака; 5 – бумажный каркас

Датчики приклеивают к испытуемой детали так, чтобы проволоки воспринимали ее деформации (сжатие или растяжение). В результате изменяется сопротивление проволоки. Тензометрический датчик преобразует весьма малые перемещения (деформации) в электрическое сопротивление. Сопротивление проволоки R зависит от ее длины l, м, и сечения S, м², т. е.

,

где ρ – удельное сопротивление проводника, Ом·м.

Изменение длины проволоки Δl , вызванное усилием деформации F , можно определить по формуле:

,

где Е – модуль упругости металла проволоки.

Тензорезисторы используются и как датчики усилия и веса (в дозаторах и весовых устройствах).

Индуктивные датчики применяются для преобразования в электрический сигнал небольших линейных и угловых перемещений. Принцип действия их основан на изменении индуктивности катушки с магнитопроводом при перемещении якоря. Индуктивные датчики имеют различную конструкцию. На рис. 8.3, а показан индуктивный датчик с воздушным зазором δ, который изменяется при воздействии на якорь измеряемой механической величины P (силы). С изменением зазора изменяется магнитное сопротивление сердечника, а следовательно, и индуктивность катушек. Катушки расположены на сердечнике и включены в цепь переменного тока. Изменение индуктивности катушки вызывает соответствующее изменение тока.

Рис. 8.3. Схема индуктивных датчиков

У индуктивного датчика дифференциального типа (рис. 8.3, б) сердечник расположен между двумя симметричными индукционными катушками. При одинаковых воздушных зазорах δ₁ и δ₂ индуктивные сопротивления обмоток L1 и L2 равны, и в измерительном приборе ток не возникает. При перемещении сердечника индуктивные сопротивления катушек становятся различными, что вызывает отклонение стрелки прибора.

Подвижной сердечник индуктивного датчика плунжерного типа (рис. 8.3, в) воспринимает перемещение от контролируемого объекта, для чего он помещен внутрь симметрично расположенных катушек, включенных в мостовую схему. При перемещении сердечника равновесие измерительного моста нарушается, а в его диагонали появляется ток, зависящий от величины перемещения сердечника относительно нейтрального положения.

Индуктивный поворотный трансформаторный датчик (рис. 8.3, г) имеет две обмотки. Первичная обмотка W₁ питается от источника переменного тока. Вторичная обмотка W₂ поворачивается на некоторый угол α при угловом перемещении контролируемой детали. При повороте обмотки W₂ изменяется взаимоиндукция обмоток и, следовательно, величина вторичной э. д. с. (U_вых).

Преимуществом индуктивных датчиков являются простота и надежность устройства, отсутствие подвижных контактов, возможность использования переменного тока промышленной частоты и возможность непосредственного включения измерительного прибора. Данные обстоятельства способствуют широкому их распространению в промышленности.

Емкостные датчики преобразуют механические перемещения в измерения электрической емкости, т. е. изменяют емкостное сопротивление:

,

где f – частота источника питания; С – емкость.

Емкостные датчики, как и индуктивные, работают на переменном токе, только в отличие от индуктивных в большинстве случаев они работают на частоте выше 1 кГц.

Значение емкости можно регулировать изменением зазораδ , площади S и выбором материала диэлектрика (диэлектрической постоянной е). Емкостные датчики могут иметь различную конструкцию. В одних датчиках пластины конденсатора сдвигаются и раздвигаются (рис. 8.4, а), в других они выполнены в виде пластин и взаимно поворачиваются (рис. 8.4, б); у других цилиндры смещаются один параллельно другому (рис. 8.4, в) или между двумя неподвижными пластинами конденсатора перемещается третья (рис. 8.4, г).

Рис. 8.4. Схемы емкостных датчиков

Последняя конструкция представляет собой дифференциальный емкостный датчик. При перемещении средней пластины емкость конденсатора изменяется. Емкостные датчики обладают высокой чувствительностью, а отсутствие электрических контактов обеспечивает их надежную работу. Однако эти датчики в автоматике получили небольшое распространение, так как имеют серьезные недостатки. В частности, они непригодны для работы на низких частотах и требуют специального высокочастотного генератора. Схемы с емкостными датчиками сложны в регулировке и неудобны в эксплуатации, так как они чувствительны к посторонним электрическим полям и паразитным емкостям.

Электроконтактные (электромеханические) датчики предназначены для управления электроприводами механизмов и машин, а также для ограничения перемещения (в частности, аварийного) различных частей механизмов. К датчикам такого рода относятся путевые (конечные) выключатели, которые приводятся в действие движущимися элементами машин и механизмов.

Путевые выключатели оснащены различными наборами групп подвижных контактов. По характеру действия механизма на подвижные контакты различают выключатели простого и мгновенного действия, а по виду возвратной характеристики – выключатели с самовозвратом и без самовозврата. Наибольшее распространение в системах автоматики строительных машин и механизмов получили путевые выключатели серии ВК и микропереключатели.

К электроконтактным датчикам можно отнести различные модификации ртутных переключателей поворотного типа. Они представляют собой частично заполненный ртутью стеклянный сосуд с впаянными электрическими контактами. В определенных положениях контакты соединяются через ртуть и замыкают электрическую цепь. При повороте стеклянного сосуда в другое положение ртуть переливается и контакты размыкаются. Получаемые при этом электрические сигналы могут быть использованы для управления исполнительными механизмами.

Следует отметить, что в настоящее время ртутные выключатели находят все меньшее применение, так как в условиях вибрации дают ложные срабатывания.

Бесконтактные датчики и концевые выключатели получили большое распространение в системах автоматизации строительных машин и механизмов. Эти приборы состоят из следующих функциональных элементов: металлической пластины (или детали механизма) – воздействующего (контролирующего) элемента, преобразователя (генератора) перемещений контролируемого элемента в электрический сигнал и электрической схемы релейного действия для получения выходного сигнала дискретной формы.

Рассмотрим работу указанных элементов на примере схемы датчика типа БК-А-5-0 (рис. 8.5). Преобразователь представляет собой схему генератора, выполненного на транзисторе VT1. Катушки обратной связи его L1 и L2 образуют чувствительный элемент, взаимодействующий с перемещаемой металлической деталью контролируемого механизма или с закрепленной на ней металлической пластиной – экраном. Если экран отсутствует, то генератор возбуждается, его колебания с обмотки L3 выпрямляются диодом VD1 и сглаживаются конденсатором С4. Образованный сигнал постоянного тока усиливается двухкаскадным усилителем с релейной характеристикой на транзисторах VT2 и VT3, причем транзистор VT2 открыт, а транзистор VT3 закрыт. Нагрузкой, включаемой между шиной на 12 или 24 В и коллектором транзистора VT3, может быть обмотка реле, логический элемент и т. д. В случае нахождения между катушками металлического экрана колебания генератора прекращаются, транзистор VT2 закрывается, а VT3 открывается, обеспечивая появление напряжения на нагрузке.

Рис. 8.5. Принципиальная схема бесконтактных датчиков и выключателей

Все разновидности выпускаемых бесконтактных датчиков и выключателей могут быть сведены к двум типам. Датчик со щелевым чувствительным элементом (рис. 8.6) отличается большой точностью и быстродействием, однако сравнительно сложен. Датчик с плокостным чувствительным элементом (рис. 4.12) более прост по конструкции и удобен в эксплуатации, но имеет несколько худшие показатели по точности и быстродействию.

Рис. 8.6. Габаритные размеры и схема внешних соединений датчиков типов БК и БК-А

Рис. 8.7. Путевой выключатель КВП-8 с плоским чувствительным элементом

В датчиках первого типа металлический экран проходит в щели между катушками чувствительного элемента, в датчиках второго типа экран установлен около катушек с определенным зазором.

По назначению датчики и выключатели по классификации НПО «ВНИИстройдормаш» можно разделить на три основные группы:

датчики, встраиваемые в измерительные приборы, например весовые головки (датчики БК, БК-А, БК-5-0), указатели уровня сыпучих материалов, сигнализаторы наличия материалов на ленте транспортера, щуповые датчики систем, автоматика автогрейдеров и асфальтоукладчиков (типа БК-А), бесконтактные манометры (датчики типа БК-0) и др.;

выключатели, устанавливаемые на исполнительных механизмах машин и оборудования, например затворах дозаторов бетоносмесителей (выключатели типов КВД-3 и КВД-6), для контроля положения камерных насосов пневмотранспорта цемента и положения передней заслонки и задней стенки ковша скрепера (выключатели типов КВП-8 и КВП-16) и др.;

выключатели для контроля положения транспортных средств, например, на передвижных складах цемента, на мачтовых подъемниках (выключатели типа КВД-100) и др.

Бесконтактные датчики и конечные выключатели обеспечивают высокую надежность и долговечность автоматизированных систем управления строительно-дорожными машинами и оборудованием на предприятиях строительной индустрии.

Датчики скорости. Одним из наиболее распространенных датчиков скорости является тахогенератор, который представляет собой электромеханическое устройство, преобразующее механическое вращение в электрический сигнал. Тахогенераторы используются как электрические датчики угловой скорости и работают как обычные маломощные электрические машины в режиме генератора для выработки напряжения, пропорционального частоте вращения. В зависимости от конструкции и соответственно выходного напряжения тахогенераторы подразделяются тахогенераторы постоянного и переменного тока с независимым возбуждением. Вал тахогенератора соединяется с валом, частоту вращения которого необходимо замерить или контролировать. Выходное напряжение, снимаемое с его щелок, пропорционально частоте вращения вала. При изменении направления вращения меняется полярность напряжения.

Тахогенераторы широко применяют в схемах автоматического управления электроприводами конвейеров, дозаторов непрерывного действия и при выполнении различных измерений.

Датчики усилий. Преобразование измеряемых усилий в электрическое напряжение производится датчиками усилий, которые подразделяются на магнитоупругие, пьезоэлектрические, емкостные, индуктивные, тензометрические и др.

Температурные датчики. Способность тел изменять физические свойства при воздействии на них температуры положена в основу конструкции температурных преобразователей. При изготовлении температурных датчиков используют такие физические явления, как тепловое расширение тел (биметаллы), появление термоэлектродвижущей силы (термопары), изменение электропроводимости проводников и давление газов при нагреве.

В электрических термометрах сопротивления использовано свойство чистых металлов и полупроводниковых материалов изменять омическое сопротивление в зависимости от температуры.

Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на свойстве некоторых металлов и сплавов создавать э.д.с. при нагревании места их соединения (спая); по величине э.д.с. можно судить о температуре нагрева спая.

В манометрических термометрах использовано свойство заключенных в закрытый сосуд газов, которые при изменении температуры изменяют давление на его стенки.

Фотоэлектрические датчики. Датчики этого вида преобразуют световую энергию в электрическую. Они выпускаются трех типов: с внутренним, внешним и вентильным фотоэффектом. Если под действием света освободившиеся электроны остаются в веществе (металле, полупроводнике), повышая его электропроводность, то фотоэффект называют внутренним. К датчикам с внутренним фотоэффектом относятся фотосопротивления.

Датчики с внешним фотоэффектом, называемые фотоэлементами, используют способность металлов испускать поток электронов (фототок) под действием света.

Датчики с вентильным фотоэффектом, у которых фотоэлементы выполняют вакуумными и газонаполненными, не требуют источника электрического тока: при освещении светочувствительный слой создает электродвижущую силу, величина которой пропорциональна степени освещения, т.е. электроны из слоя освещенного вещества переходят в слой другого неосвещенного вещества.

Радиоактивные датчики. В устройстве радиоактивных датчиков использована способность радиоактивных лучей в определенной степени проникать в исследуемый материал или контролируемый объект. Радиоактивный датчик состоит из источника излучения и приемника – индуктора.

Акустические датчики. В устройстве акустических датчиков использован принцип измерения величины затухания упругих колебаний или времени прохождения ими определенного участка пути в измеряемой среде.

Вращающиеся трансформаторы. Вращающимся трансформатором называют индукционную электрическую машину, служащую для получения выходного напряжения в виде вполне определенной функции от угла поворота ротора.