Датчики контроля и регулирования

Датчиком или измерительным преобразователем называют средство измерения, преобразующее измеряемую физическую величину в сигнал для передачи, обработки или регистрации. Датчик преобразует одну физическую величину (давление, температуру, перемещение и т. п.) в другую, обычно в электрическую на основе пропорциональной связи собственных единиц измерения. Преобразователь, непосредственно воспринимающий параметр состояния, называют чувствительным элементом датчика. В простейшем случае датчик может состоять только из одного преобразователя, воспринимающего и преобразующего параметры состояния как, например, термометр сопротивления, термопар. Более сложные датчики могут состоять из нескольких преобразующих элементов. Параметр состояния, воспринимаемый чувствительным элементом датчика, называют входной величиной датчика, а сигнал последнего преобразующего элемента -выходной величиной.

По входному сигналу (по назначению) различают датчики температуры, перемещения (скорости), давления и др., а по выходному сигналу - неэлектрические и электрические (параметрические и генераторные). Отношение приращения выходного сигнала ЛУ к приращению входного сигнала АХ (К = AY/АХ) называют чувствительностью датчика. Датчики называют линейными или нелинейными в зависимости от того, постоянна или непостоянна их чувствительность на всем диапазоне измерений.

Датчики обладают инерционностью - запаздыванием появления или исчезновения сигнала на выходе по сравнению с моментом появления или исчезновения сигнала на входе. Минимальное значение входного сигнала, которое можно обнаружить с помощью датчика, называют порогом чувствительности, а максимальное значение, воспринимаемое датчиком без искажения и повреждения - пределом преобразования. Разница между пределом преобразования и порогом чувствительности составляет динамический диапазон измерения.

Полученные с помощью датчиков данные используют как информационные, например, о техническом состоянии узлов и агрегатов машины, и для автоматического регулирования контролируемых процессов. В первом случае на приборном щитке устанавливают вторичные датчики (указатели) для преобразования сигнала первичного датчика в сигнал, удобный для визуального наблюдения. Во втором случае датчики являются составными частями САР.

Устройства, служащие для получения информации о положении элементов машин, механизмов или их частей путем преобразования линейных или угловых перемещений в электрические или другие величины, называют датчиками перемещения или положения. Они бывают контактными и бесконтактными. Простейшим контактным устройством двухпозиционного (релейного) типа для контроля положения механизмов или их частей является концевой или путевой выключатель (рис. 4.5). Для ограничения линейного перемещения применяют рычажные выключатели (рис. 4.5, а). При достижении механизмом или его частью крайнего положения этот механизм нажимает на рычаг / концевого выключателя, который переключает контактную группу 2.

Для ограничения углового перемещения механизма применяют шпиндельные выключатели (рис. 4.5, б). Шпиндельный выключатель представляет собой пару винт-гайка. При этом винт 3 соединен с контролируемым механизмом с помощью механической передачи (зубчатой, цепной и т. п.) 5. При его вращении гайка (кулачок) 4 перемещается в направляющих 6 до наезда на левый 7 или правый 8 выключатели, переключающие контактную группу.

В слаботочных САУ применяют микропереключатели (рис. 4.6) с двумя (замыкающим и размыкающим) контактами.

Датчики углового положения (рис. 4.7) предназначены для контроля углового положения рабочего органа или рамы машины. Они бывают поплавковыми, маятниковыми и реостатными. В поплавковом датчике (рис. 4.7, а) корпус 3 жестко закреплен на контролируемом органе. При его отклонении удерживаемый в вертикальном положении поплавок 1 перемещает шток 2, связанный с золотником гидрораспределителя или другого регулирующего устройства. В маятниковом датчике вместо поплавка используется маятник. Реостатные датчики сопротивления (рис. 4.7, б) непрерывного действия применяют для измерения углового перемещения одного элемента машины относительно другого. Ось 4 с контактными пластинками 5 на кронштейне закрепляют на одном элементе машины, а катушку 6 - на втором элементе. Каждому взаимному положению оси и катушки соответствует определенное сопротивление реостата и связанная с ним сила тока.

Из бесконтактных датчиков в схемах автоматики нашли применение индукционные, емкостные, магнитные, полупроводниковые и другие датчики, а также фотоэлементы и гамма-электронные реле. В качестве индукционных датчиков, используемых, в частности, в САР земле-ройно-транспортных машин, применяют маятниковые датчики и дискретные датчики-щупы. Маятниковый датчик (рис. 4.8, а) состоит из качающегося на оси 3 тонкостенного полуцилиндра 4 со смещенным центром масс, с которым жестко соединен экран 2, и катушек /, закрепленных на корпусе датчика, установленного на элементе (детали) машины, угловое положение которого измеряется. При отклонении этого элемента от заданного положения экран перемещается относительно катушек, изменяя выходной сигнал преобразователя. Датчик-щуп (рис. 4.8, б) состоит из перемещаемого по копиру (бордюру, копирной проволоке) щупа 8, посаженного на одну с экраном 5 ось 7, и бесконтактного датчика 6, жестко соединенного с корпусом, установленным на контролируемом органе. При повороте оси и связанного с ней экрана относительно бесконтактного датчика на угол, превышающий установленное значение, выдается дискретный сигнал, используемый для управления рабочим органом машины.

Группу датчиков силового воздействия составляют датчики давления жидкостей и газов, датчики деформации твердых тел и датчики колебаний. Для измерения давления применяют первичные преобразователи силы, связанные с изменением столба жидкости, перемещением упругих элементов, электрическим сопротивлением или электродвижущей силой (рис. 4.9).

В U-образных запаянной (а) и незапаянной (б) трубках давление р измеряют через разницу уровней жидкости h в вертикальных частях трубок; в сильфоне (в) - через перемещение свободного конца герметичной гофрированной трубки; в мембране (г), дифференциальном (з), контактном (и) и тепловом (к) датчиках - через перемещение плоскости гофрированной пластины; в трубчатых пружинах (д, е) - через угол раскручивания пружины; в дифференциальном датчике (ж) - через отклонение стрелки.

При большой частоте колебаний давлений упругие чувствительные элементы из-за своей инерционности применять нецелесообразно. Для этого, а также для измерения деформаций применяют тензо-метрические и пьезоэлектрические датчики. Принцип действия тензометрических Jr датчиков (рис. 4.10) основан на тензометрическом эффекте - зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от его деформации (растяжения или сжатия). Элементы в виде стержня из порошка угля, сажи или графита, наклеенного на полоску бумаги (рис. 4.10, а) называют тензолитами. Более широко применяются датчики из наклеенной на полоску бумаги константановой или нихромовой проволоки с медными выводами (рис. 4.10, б). Схема включения датчика показана на рис. 4.10, в.

Датчик RT наклеивают на измеряемую деталь и включают его в одно из плеч электрического моста. До тех пор, пока произведения сопротивления противоположных плеч моста равны между собой (R^R^ = Л2ЛТ), мост уравновешен, и показание гальванометра Г, включенного в диагональ плеч моста, равно нулю. При приложении нагрузки к контролируемому объекту происходит его деформация, что вызывает изменение сопротивления тензодатчика RT и разбалансировку моста. По показаниям гальванометра судят о деформациях контролируемого объекта. В последнее время нашли широкое применение полупроводниковые тензорезисторы, обладающие на порядок более высокой тензочувствительностью по сравнению с константановыми и проволочными датчиками. Однако их температурные характеристики ниже константановых.

Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на преобразовании механической энергии в электрическую вследствие возникновения электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов, например, титаната бария, при механическом воздействии на них. Пьезометрические датчики (рис. 4.11) безынерционны, поэтому их наиболее эффективно использовать при измерении быстро протекающих динамических процессов. Пьезоэлектрический датчик усилий (рис. 4.11, а) состоит из корпуса , пьезоэлектрических пластин 2 с выводами 3, соединенными с регистрирующим прибором, и двух опорных плит 4.

Пьезоэлектрические вибродатчики (рис. 4.11, б) применяют для измерения упругих колебаний частей машин. В этих датчиках пьезоэлектрические шайбы 7 находятся между подпружиненным грузом 5 и основанием корпуса 6 с резьбовым отверстием для крепления на вибрирующую поверхность. Вследствие колебаний груз оказывает силовое воздействие на шайбы

с частотой контролируемой части машины. Диапазон измерения колебаний от 15 до

30000 Гц.

Для контроля и регулирования температуры различных процессов применяют датчики, принцип действия которых основан на тепловом расширении двух тел с различными коэффициентами расширения, изменении давления газа внутри замкнутого объема, изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при изменении температуры, на термоэлектрических явлениях.

Простейшим элементом расширения является дилатометрический элемент (рис. 4.12, а), состоящий из медной, латунной или стальной трубки 2 и стержня /, изготовленного из инвара или керамики, совместно закрепленных в донной части 3 трубки. При одинаковой степени нагрева трубки и Рис. 4.12. Датчики расширения стержня вследствие различных коэффициентов линейного расширения они получают различные линейные деформации. Температуру измеряемого тела определяют по разности этой деформации. Разновидностью дилатометрических элементов являются жидкостные элементы расширения (рис. 4.12, б), представляющие собой герметически закрытую стеклянную трубку, частично заполненную жидкостью, например, этиловым спиртом. Принцип действия прежний.

Биметаллический чувствительный элемент (рис. 4.12, в, г) состоит из двух сваренных вместе металлических пластин с различными коэффициентами линейного расширения. Температуру измеряют по отклонению Ах конца биметаллического стержня или по углу Дф отклонения от исходного положения конца спирали.

Чувствительные элементы термометров сопротивления (рис. 4.13) представляют собой тонкую медную, никелевую или платиновую проволоку, навитую на каркас (терморезистор) (рис. 4.13, а), или полупроводниковый термисторный элемент (рис. 4.13, б) из смеси окислов никеля, марганца, кобальта, магния, ти-Рис. 4.13. Чувствительные элемен- тана> спрессованных и спеченных при высокой темпе-ты термометров сопротивления ратуре в виде стержней, шайб, дисков и бусинок. Электрические элементы сопротивления и термисторы предназначены для измерения температуры через сопротивление проволоки или полупроводника, изменяемое при нагреве. Чувствительность термисторов на порядок выше чувствительности проводниковых терморезисторов.

В датчиках расхода и уровня элемент, взаимодействующий с измеряемой средой, называют воспринимающим элементом. Различают воспринимающие элементы скоростные, объемные, переменного и постоянного перепадов.

Скоростной воспринимающий элемент (рис. 4.14, а) представляет собой крыльчатку, устанавливаемую в потоке жидкости или газа, расход которых определяют по скорости вращения вала крыльчатки. В САР последний связан с датчиком системы регулятора. В качестве объемного датчика расхода можно применять любой гидромотор с подключенным к его валу измерителем. В датчике с элементом переменного перепада (рис.4.14, б) расход измеряют по разности давлений, регистрируемой манометром 2 до и после дросселя /. В датчике постоян-3 ного перепада (ротаметре) (рис. 4.14, в) .4 воспринимающим элементом является 5 поплавок 5 с линейкой 3, перемещающийся в коническом корпусе 4. Изменение расхода жидкости или газа вызывает изменение положения поплавка и, следовательно, проходного сечения между ним и корпусом. Равновесие поплавка наступает при постоянном расходе жидкости или газа.

Для измерения уровня жидкости или сыпучих материалов применяют различные поплавковые и буйковые приборы, чувствительным элементом которых является плавающий (рис. 4.15) или полностью погруженный в измеряемую жидкость поплавок (буек). Для той же цели применяют емкостные приборы, работающие по принципу изменения электрической емкости датчика при изменении уровня измеряемой среды; ра- ис- 415- П°плавковыи диоактивные, основанные на изменении протекающего через датчик уровня объект потока излучения при изменении уровня; мембранные, в которых давление столба измеряемой жидкости уравновешивается упругой деформацией мембраны или пружины и др.

Для измерения и регулирования скорости вращения валов в машинах и механизмах применяют датчики угловой скорости (тахометры). Наиболее распространены механические и электрические тахометры. В механических тахометрах центробежного типа (рис. 4.16, а) за счет центробежных сил, возникающих при вращении чашки /, шарики 2 отбрасываются на пери-Рис. 4.16. Датчики угловой скорости ферию, воздействуя на тарелку 3, поджимаемую к чашке пружиной 4. По осевому перемещению тарелки судят о скорости вращения измеряемого вала.

Электрические тахометры (тахогенераторы) представляют собой малогабаритные генераторы постоянного или переменного тока. На рис. 4.16, б представлена схема тахогенератора постоянного тока с независимым возбуждением. Угловую скорость измеряют через напряжение генератора ?/вых. Статическая характеристика промышленных тахогенераторов линейна, погрешность измерений - 2 - 3%.

Для измерения угловой скорости также широко применяют индукционные датчики (импульсные генераторы), принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции, заключающейся в наведении ЭДС в электрическом контуре за счет изменения магнитного потока. Датчик (рис. 4.16, в) состоит из вращающегося зубчатого ротора 5 и неподвижного постоянного магнита 6 с обмоткой 7. При вращении ротора к полюсам магнита попеременно подходят то два выступа, то две впадины. Это приводит к изменению магнитного потока в сердечнике и появлению в обмотке электрического тока, амплитуда и частота которого пропорциональны частоте вращения измеряемого вала.

В магнитоиндукционных тахометрах (спидометрах) (рис. 4.16, г) во вращающемся с угловой скоростью со магните 8 наводится ЭДС, которая вызывает появление в нем тока. В результате взаимодействия электрического тока с магнитным полем магнита возникает крутящий момент, стремящийся повернуть цилиндр 9 в направлении вращения магнита. Этому препятствует пружина 10, вследствие чего цилиндр поворачивается на угол со, пропорциональный угловой скорости.

Для измерения скорости ветра при работе строительных кранов используют анемометры, датчиком которых является трехлопастная вертушка, вращающаяся со скоростью, пропорциональной скорости ветрового потока. Вертушка механически соединена с тахогенератором, сигнал от которого поступает на измерительный пульт. На передней панели пульта установлены: указатель скорости ветра, кнопка разблокирования выходного реле и три сигнальных лампы - белая, желтая и красная. Белая лампа загорается при включении анемометра в сеть, желтая - при увеличении скорости ветра до предельно допустимого значения, красная - при длительных порывах ветра предельно допустимой скорости. При этом выходное реле самоблокируется. После уменьшения скорости ветра кнопкой разблокирования реле схему измерительного пульта возвращают в исходное (рабочее) состояние.

Для измерения линейных ускорений применяют десселерометры (рис. 4.17), у которых отклонение инерционного звена от равновесного состояния пропорционально изменению скорости контролируемого объекта. Для измерения угловых ускорений валов применяют тахогенераторные или индукционные датчики со вторичным прибором, реагирующие на изменение час-Рис. 4.17. Датчик ускорения тоты вращения.