Датчики температуры, давления, уровня, пути

В процессе работы электротехнического и технологического обо­рудования возникает необходимость контролировать происходящие при этом процессы, для этого надо иметь информацию о состоянии и теку­щих значениях скорости, тока, момента, ЭДС, температуры, давления, уровня, положения, освещенности и т. д. Устройства, которые выдают подобную информацию в виде электрических сигналов, получили на­звание измерительных преобразователей или датчиков.

Сигнал от датчика подается на устройство сравнения вместе с заданным сигналом, сигнал разности подается на усилитель, и этот усилительный сигнал действует на исполнительный орган, изменяю­щий состояние регулируемого (контролируемого) объекта.

Классифицируются датчики по следующим признакам:

- по принципу преобразования электрических и неэлектриче­
ских величин в электрические величины датчики подразделяются на
пьезоэлектрические, тепловые, давления, уровня, пути, электромаг­
нитные датчики, фотодатчики, оптроны, герконы, датчики Холла;

- по конструкции - контактные и бесконтактные;

- по роду тока и величине напряжения;

- по току выходного исполнительного органа;

- по конструктивным особенностям и степени защиты.

Тепловые датчики.Принцип действия тепловых датчиков ос­нован на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена). Для измерения температуры преобразование происхо­дит в промежуточную величину, например в ЭДС, электрическое со­противление и другие величины.

Из всех существующих методов измерения температуры наибо­лее широко применяются термоэлектрические.

Термоэлектрическое явление заключается в том, что при соеди­нении двух проводов А и В (рис. 5.1) из разных материалов (термопа­ра) и создании разности температур между точкой соединения Т1 и точками свободных концов Т₀ возникает ЭДС, пропорциональная разности функций температур:

Е(Т₁,Т₀) = f(T₁)-f(T₀).

Значение термо ЭДС зависит от материалов термопары и колеб­лется в пределах от долей до сотен милливольт на 100 °С.

Наряду с термоэлектрическими датчиками температуры приме­няются терморезистивные датчики, называемые термометрами сопро­тивления.

А

В

Рис. 5.1. Схема термоэлектрического преобразователя

Датчики уровня.Служат для контроля уровня жидкостей в ре­зервуарах и для подачи сигналов о регулировании этого уровня. Дат­чики уровня бывают: электродные, поплавковые, мембранные.

Электродный датчик применяется для контроля уровня электро­проводных жидкостей. Датчик имеет короткий 1 и два длинных элек­трода 2, 3, закрепленные в коробке зажимов (рис. 5.2). Короткий элек­трод является контактом верхнего уровня, а длинный - нижнего уровня жидкости. Датчик соединяется проводами со станцией управ­ления двигателем насоса. Касание воды короткого электрода приво­дит к отключению пускателя насоса, понижение уровня воды ниже длинного электрода дает команду на включение насоса.

Рис. 5.2. Электродный датчик

Электроды датчика включены в цепь катушки промежуточного реле К, которое включается во вторичную обмотку понижающего трансформатора напряжением 12 В. При подъеме уровня жидкости в резервуаре до уровня короткого электрода 1 образуется электриче­ская цепь: вторичная обмотка трансформатора - катушка реле К -электрод 1 - жидкость - электрод 2. Реле сработает и становится на самопитание через свой контакт К и электрод 3, при этом контакты 6 реле дают команду на отключение электродвигателя насоса. При по­нижении уровня жидкости ниже уровня электрода 3 реле отключается и включает электродвигатель насоса.

Поплавковый датчик (реле) применяется в отапливаемых поме­щениях для контроля уровня неагрессивных жидкостей. На рис. 5.3 показано схематическое устройство реле. В резервуар 10, погружается поплавок 1, подвешенный на гибком канате через блок 3 и уравнове­шенный грузом 6. На канате закреплены два упора 2 и 5, которые при предельных уровнях жидкости в резервуаре поворачивают коромысло 4 контактного устройства 8. При поворотах коромысло замыкает со­ответственно контакты 7 или 9, включающие или отключающие элек­тродвигатель насоса.

Рис. 5.3. Поплавковый датчик (реле)

Датчики пути. Электроконтактные датчики представляют собой конечные и путевые выключатели, микропереключатели. Они кинематически связаны с рабочими механизмами и управляют приво­дом в зависимости от пути, пройденного рабочим механизмом. Вы­ключатель, ограничивающий ход рабочего механизма, называется ко­нечным выключателем. Путевые выключатели могут координировать работу нескольких приводов, производя их пуск, останов, изменение скорости в зависимости от положения, занимаемого механизмом ра­бочей машины.

Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавли­вают на неподвижных частях рабочих органов в определенном поло­жении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплены кулач­ки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание.

По характеру перемещения измерительного (подвижного) орга­на выключатели подразделяются на нажимные, когда шток совершает прямолинейное движение и рычажные, когда движение передается через устройство в виде рычага, поворачивающегося на некоторый угол.

Выключатели, у которых срабатывание контактов зависит от скорости движения упора, называют выключателями простого дейст­вия, а выключатели, у которых переключение не зависит от скорости движения упора, называют моментными.

Нажимные выключатели выпускают в основном простого дей­ствия (рис. 5.4).

а) б)

Рис. 5.4. Датчик пути нажимной

Выключатель состоит из основания 1, неподвижных контактов 6, штока 4, опирающегося на сферическую поверхность втулки 7, не­сущей мостики подвижных контактов 5.

Для более надежного включения подвижные контакты 5 и не­подвижные 6 поджимаются пружиной 2. При воздействии усилия шток 4 перемещается и контактные мостики переключают, т. е. от­ключают размыкающие и включают замыкающие контакты.

Бесконтактные путевые выключатели.В схемах управления электроприводами станков, механизмов и машин применяются пре­образователи пути, работающие без механического воздействия со стороны движущегося упора. Широкое распространение получили бесконтактные переключатели щелевого типа с транзисторными уси­лителями, работающими в генераторном режиме. На рис. 5.5, а пока­зан общий вид переключателя типа БВК-24. Его магнитопровод, раз­мещенный в корпусе 4, состоит из двух ферритовых сердечников 1 и 2 с воздушным зазором шириной 5-6 мм между ними. В сердечни-

ке 1 размещается первичная обмотка w_к и обмотка положительной обратной связи w_п.с, в сердечнике 2 - обмотка отрицательной обрат­ной связи w_о.с. Такой магнитопровод исключает влияние внешних магнитных полей. Катушки обратной связи включены последователь­но - встречно. В качестве переключающего элемента используется алюминиевый лепесток (пластинка) 3 толщиной до 3 мм, который может перемещаться в щели (в воздушном зазоре) магнитной систе­мы датчика.

а)

б)

Рис. 5.5. Бесконтактный путевой переключатель БВК-24: а - общий вид; б - схема электрическая принципиальная

Если лепесток находится вне сердечника, то разность напряже­ний, индуктируемых в обмотках w_nc и w_о.с, будет положительной, транзистор VT1 закрыт и генерация незатухающих колебаний в кон­туре w_к - С3 (рис. 8.5, б) не возникает. При введении лепестка в щель датчика связь между катушками w_к и w_о.с ослабляется (поэтому лепе­сток еще называют экраном), на базу транзистора VT1 подается отри­цательное напряжение и он открывается. В контуре w_к - С3 возникает генерация и появляется переменный ток, который индуктирует ЭДС \в катушке w_nc в цепи базы транзистора. В цепи базы транзистора VT1 происходит детектирование переменной составляющей тока базы. Транзистор открывается, вызывая срабатывание реле К.

Для стабилизации работы транзистора при колебаниях темпера­туры и напряжения служит нелинейный делитель напряжения, со­стоящий из линейного элемента - R1, полупроводникового терморе­зистора R2 и диода VD2.

Погрешность срабатывания составляет 1-1,3 мм. Напряжение питания переключателя БВК-24 составляет 24 В.

Переключатель обладает высокой надежностью, большой до­пустимой частотой срабатывания и быстродействием.

Фотодатчики

Фотоэлементом называется электровакуумный, полупровод­никовый или иной электроприбор, электрические свойства которого (сила тока, внутреннее сопротивление или ЭДС) изменяются под дей­ствием падающего на него светового излучения.

В зависимости от среды, в которой происходит движение элек­тронов, фотоэлементы подразделяются на:

- электронные (вакуумные) фотоэлементы, в которых движение
электронов происходит в вакууме;

- ионные (газонаполненные) фотоэлементы, в которых при движе­
нии электронов в разреженном газе происходит ионизация атомов газа;

- полупроводниковые - в которых освобожденные электроны
увеличивают проводимость приборов или создают ЭДС.

В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект. Он заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (вакуум или разреженный газ).

В фоторезисторах (фотосопротивлениях) используется внутрен­ний фотоэффект, который заключается в том, что источник излучения вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, иониза­цию части атомов и образование новых носителей зарядов - свобод­ных электронов и дырок, вследствие чего электрическое сопротивле­ние вещества уменьшается.

В полупроводниковых фотоэлементах - фотодиодах и фото­триодах используется фотоэффект возникновения ЭДС.

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого резко изменяется под действием падающего на него излучения.

Фоторезистор (рис. 5.6, а) представляет собой стеклянную пла­стинку 1, на которую путем напыления в вакууме нанесен тонкий

слой полупроводника 2, а по краям выведены два металлических электрода 3. При изготовлении полупроводниковый слой покрывается прозрачным лаком для защиты от влаги и механических поврежде­ний. Пластинку помещают в корпус с двумя выводами.

Через неосвещенный фоторезистор проходит малый ток, назы­ваемый темновым I_т. При освещении фоторезистора через него идет общий ток I_св.

Разность между общим и темновым токами называется фото­током Iф.

В качестве полупроводника применяется сернистый свинец (фо­тоэлемент ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).

Свет

а)

б)

Рис. 5.6. Фоторезистор: а — устройство; б — условное графическое и буквенное обозначение

св

// BL

- и +

U

а) б)

Рис. 5.7. Фоторезистор: а - схема соединения; б - вольтамперная характеристика

Фоторезистор характеризуется интегральной чувствительностью к световому потоку, мкА/лм

Фоторезисторы обладают значительной инерцией, нелинейной зависимостью фототока от светового потока и сильной зависимостью электрического сопротивления от температуры, что является их недостатком.

Фоторезисторы нашли широкое применение в промышленной электронике, автоматике, вычислительной технике.

Полупроводниковый фотоэлемент - представляет собой прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает ЭДС, называемая фото-ЭДС.

Фотодатчики используют в схемах защиты, обеспечивающих отключение установки при попадании в опасную зону обслуживаю­щего персонала, для подсчета деталей, контроля целостности режу­щего инструмента.

Фотореле разрабатываются на базе фоторезисторов (рис. 8.8) и применяются для управления наружным освещением улиц, площадей, территорий предприятий.

Рис. 5.8. Схема электрическая принципиальная фотореле

Оптоэлектрические датчики

Оптроны и оптоэлектронные реле является одним из основных элементов оптоэлектроники, получивших распространение в послед­ние годы. Он состоит из источника - светоизлучателя (светодиода) и приемника излучения (светочувствительного детектора, фотодиода, фототранзистора или фототиристора), связанных опти­ческой средой и конструктивно объединенных в одном корпусе (оптопара).

Диодные оптопары характеризуются термостабильностью, ли­нейностью характеристик и используются в быстропереключающихся схемах.

Герконы

Магнитоуправляемые контакты впаяны в стеклянную колбу, за­полненную азотом или инертным газом, т. е. изолированы от внешней среды (герметизированы), поэтому их называют сокращенно герко-нами, что значит герметизированные контакты.

Контакты 1 (рис. 5.9) изготавливают из сплава железа с никелем.

Если к стеклянной колбе 3 геркона поднести постоянный маг­нит 5 с полюсами N и S (рис. 5.9, б), то контакты 1 намагничиваются и притягиваются друг к другу. При перемещении магнита на некото­рое расстояние контакты разомкнутся.

Герконовое реле. Если вместо постоянного магнита на стеклян­ную колбу 3 геркона расположить обмотку управления постоянного тока 4 (рис. 5.9, а), то при включении реле по обмотке катушки бу­дет протекать ток, образуется магнитное поле, которое намагничивает контакты 1, в результате чего они притягиваются друг к другу и при этом замыкают цепь управления.

а)

б)

Рис. 5.9. Герконы: а - герконовое реле; б - герконовый путевой выключатель

Герконы и герконовые реле отличаются малыми габаритами, не­значительной массой, высокими быстродействием и надежностью, виброустойчивостью, стабильностью контактного сопротивления.

Датчики скорости

Для получения информации о частоте вращения электродвига­теля применяются тахогенераторы постоянного и переменного тока, которые преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал.

Тахогенераторы. Тахогенераторы постоянного тока (рис. 5.10, а) представляют собой небольшие генераторы постоянного тока с неза­висимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магни­тов. Их устройство не отличается от устройства обычных машин по­стоянного тока. Основной характеристикой тахогенератора является зависимость выходного напряжения U_вых от угловой скорости со:

Схема асинхронного тахогенератора переменного тока показана на рис. 5.10, б. Устройство таких тахогенераторов не отличается от устройства асинхронного однофазного двигателя.

Для измерения частоты вращения вал двигателя механически соединяется с валом тахогенератора посредством передачи или встраивается в машины.

а) б)

Рис. 5.10. Электрические схемы тахогенераторов: а - постоянного тока; б - переменного тока

Датчик Холла

Основан на эффекте Холла - электромагнитном эффекте, в ос­нове которого лежит отклонение движущихся электронов в магнит­ном поле.

В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила.

Вектор силы перпендикулярен направлению, как магнитной так и электрической составляющих поля.

Если внести в магнитное поле с индукцией В (рис. 5.11, а) полу­проводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимо-нида индия), через которую протекает электрический ток, то на боко­вых сторонах, перпендикулярно направлению тока, возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорцио­нально току и магнитной индукции.

2 3

а) б)

Рис. 5.11. Датчик Холла: а - эффект Холла; б - датчик Холла

Датчик состоит из постоянного магнита 2, пластины полупро­водника 1 (рис. 5.11, б) и интегральной микросхемы. Между пластин­кой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран 3. Когда в зазоре нет экрана 3, то на пластинку 1 полупровод­ника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциа­лов. Если же в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластинку не действует, в этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.

Интегральная микросхема преобразует разность потенциалов, создающуюся на пластинке, в отрицательные импульсы напряжения определенной величины на выходе датчика. Когда экран находится в зазоре датчика, то на его выходе будет напряжение U_max, если же в зазоре датчика экрана нет, то напряжение U_mi_n на выходе датчика близкое к нулю.

Реле, реализующие функции датчиков (реле времени, напряжения, тока)

В качестве датчиков времени используются реле времени раз­личной конструкции [4].

Рис. 5.12. Электромагнитное реле времени

Электромагнитное реле времени. Электромагнитное реле вре­мени постоянного тока состоит из неподвижной части магнитопрово-да 2 (рис. 5.12) и подвижной части магнитной системы (якорь 6). На неподвижной части магнитопровода установлена катушка 1. Реле имеет неподвижные контакты 8 и подвижные 9, укрепленные на под­вижной части.

Включение реле происходит, как у электромагнитного реле без выдержки времени. При подаче напряжения на катушку реле 1 якорь 6 притягивается к сердечнику 2.

Выдержка времени обеспечивается за счет замедления возврата якоря в исходное положение при отключении напряжения с катушки. Замедление обеспечивает медная гильза 3, которая и обеспечивает выдержку времени. Спадающий магнитный поток создает в гильзе, по Закону Ленца, ЭДС и ток направленный так, что поток, создаваемый гильзой, препятствует уменьшению магнитного потока в магнитопроводе. Замедленное спадание потока создает выдержку времени при отпускании. Наличие медной гильзы замедляет спадание магнит­ного потока, т. е. якорь на некоторое время удерживается на сердеч­нике магнитопровода, а затем происходит отпадание якоря, а, следо­вательно, и переключение контактов реле с выдержкой времени.

Выдержка времени реле регулируется ступенчато количеством или размером гильз, одеваемых на магнитопровод, а также толщиной немагнитной прокладки 7 определенной толщины, закрепляемой на якоре 6 (уменьшение толщины прокладки вызывает увеличение вы­держки реле и наоборот). Предусмотрена и плавная регулировка за счет изменения натяжения пружины 4 с помощью гайки 5. Чем мень­ше будет затянута пружина, тем больше будет выдержка времени и наоборот.

Выпускаются несколько типов электромагнитных реле времени. Реле РЭВ 811...РЭВ818 обеспечивают выдержку времени от 0,25 до 5,5 с. Изготавливаются с катушками на напряжение постоянного тока 12,24,48, ПО и 220 В.

Пневматическое реле времени. Пневматическое реле времени типа РВП 72 (рис. 5.13) состоит из электромагнита, пневматического демпфера (замедлителя) и микропереключателя.

При подаче напряжения на катушку 3 якорь электромагнита 4 двигаясь, по направляющим 2 втягивается внутрь катушки и освобо­ждает хвостовик 5, связанный с диафрагмой 10. Нижняя полость 7 диафрагмы свободно сообщается с атмосферой, а верхняя полость 11 — через регулируемое отверстие, дроссель 14 и выпускной клапан 8, по­этому скорость перемещения хвостовика зависит от сечения дросселя, так как через него происходит засасывание воздуха из воздушной ка­меры 12 (через отверстие 14) в верхнюю полость диафрагмы. Сечение дросселя регулируется с помощью иглы 13 и гайки 15, причем, чем больше сечение дросселя, тем меньше выдержка времени реле. Пере­ключение контактов происходит в тот момент, когда хвостовик опус­тится в крайнее нижнее положение и рычагом 17 нажмет кнопку мик­ропереключателя 16.

9 10 11 12 13 14 15

2 1

Рис. 5.13. Пневматическое реле времени

Рис. 5.14. Электронное реле времени

Электронные реле времени (рис. 5.14) в своих схемах использу­ют полупроводниковые элементы (транзисторы). Выдержка времени реле определяется временем заряда или разряда конденсаторов.

В исходном положении контакт K замкнут, конденсатор С будет заряжаться с полярностью, показанной на рис. 5.14. Команда на начало отсчета времени подается при размыкании управляющего контакта K.

После чего начинается разряд конденсатора С через резистор R2 и переход эмиттер - база транзистора VT2 отрицательного потенциа­ла. Он откроется, по обмотке реле KV начнет протекать ток, оно сра­ботает и переключит свои контакты. Отсчет времени закончится. Вы­держка времени реле определяется временем разряда конденсатора С, которое зависит от величины его емкости и сопротивления резистора R2. Регулируя эти величины, можно установить требуемые выдержки времени реле. Серийно выпускаются электронные реле времени серии ВЛ46, ВЛ56, которые обеспечивают выдержку време­ни от 0,1 до 10 мин.

В качестве датчиков тока и напряжения используются реле тока и напряжения. Их катушки включаются непосредственно в цепь кон­тролируемого электроприемника (двигателя). В некоторых схемах ре­ле включаются с трансформаторами тока и напряжения, что позволяет отделить цепи управления от силовых цепей. При достижении током уровня срабатывания или отпускания реле происходит соответст­вующее переключение контактов в цепи управления двигателем. Реле тока реализуют минимально токовую и максимально токовую защиту электродвигателей, систем электроснабжения промышленных пред­приятий.

Реле напряжения используются, как реле минимального напряже­ния. При снижении напряжения сети на 60-70 % от номинального U_ном

или полного его исчезновения отключается реле минимального напря­жения и своими контактами отключает питание схемы управления.

6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ УПРАВЛЕНИЯ

Для регулирования частоты вращения, вращающего мо­мента на валу, для соединения и разъединения ведущего и ведомого валов применяются электрические аппараты в виде муфт с электрическим управлением. Эти муфты мож­но подразделить на индукционные и электромагнитные.

Индукционные муфты (рис. 6.1) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Приводной двигатель соединяется со сплошным якорем 1, ведомый вал связан с индуктором 2. Катушка возбуждения 4 создает постоянный магнитный поток 5, за­мыкающийся по якорю 1. При вращении якоря магнитное поле катушки индуктора пересекает цилиндрическое тело якоря, и в нем наводятся вихревые токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создает силу, которая увле­кает индуктор в направлении вращения якоря. Материал якоря должен обладать малым удельным электрическим сопротивлением, что обеспечивает возникновение достаточ­но больших вихревых токов, и высокой магнитной проница­емостью для получения возможно больших значений магнитного потока.

Регулируя ток возбуждения I_в и тем самым меняя магнитное поле, можно плавно регулировать в широких преде­лах частоту вращения и передаваемый вращающий момент ведомого вала.

-

Рис. 6.1. Индукционная муфта:

7 — якорь; 2 — индуктор; 3 — магнитная система; 4 — катуш­ка возбуждения; 5—магнитный поток

На рис. 6.2 показаны механические характеристики ин­дукционной муфты. На этом рисунке I_в*= I_в/I_в.ном — ток возбуждения в относительных единицах; М_* =М/М_ном— передаваемый момент в относительных единицах, где М_ном — номинальный момент муфты; I_в.ном — соответству­ющий ему номинальный ток возбуждения; п — частота вра­щения в процентах частоты вращения при отсутствии на ведомом валу нагрузки.

При увеличении момента нагрузки угловая скорость ве­домого вала уменьшается. При этом возрастают скольже­ние и токи, наводимые в якоре муфты. Увеличение токов в якоре увеличивает момент, развиваемый муфтой и пере­даваемый на ведомый вал.

Механические характеристики индукционной муфты су­щественно зависят от нагрузки. Поэтому для стабилизации скорости применяются специальные регулирующие устрой­ства.

Более широко применяются электромагнитные муфты, в которых используется электромагнитное усилие притяже­ния между ферромагнитными телами. Эти муфты удобны в эксплуатации, имеют малые габаритные размеры и небольшое время срабатывания, передают большие мощ­ности на валу при сравнительно малой мощности управле­ния. Ниже рассматриваются фрикционные, ферропорошковые и гистерезисные электромагнитные муфты.

Рис. 6.2. Механические характеристики индукционной муфты при раз­личном токе возбуждения