Назад: 3.4 Датчики реактивного сопротивления

3.5 Генераторные датчики

Термоэлектрические датчики работают на принципе появления термоэлектродвижущей силы – термоЭДС (прил.1, п.11). 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 проводника 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, помещенный в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, относительно которого изменяется 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, которые хаотически движутся между положительными ионами, образующими остов кристаллической решетки. В разных металлах свободные электроны обладают при одной и той же температуре разными скоростями подвижности и энергией. При соединении двух разнородных металлов (электродов) свободные электроны из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свободных электронов их теряет больше. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией свободных электронов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов.

В зависимости от материала электродов термопары разделяются на две основные группы: из благородных и неблагородных металлов. Наибольшее распространение из первой группы получила термопара типа ТПП. Один электрод её 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. Недостаток - малое значение термоЭДС. Термопара типа ТПП 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 °C) применяется термопара ТПР. Один электрод - из платинородия (70 % платины и 30% родия), другой электрод также из платинородия (94 % платины и 6% родия). При температуре 1800 °C термоЭДС составляет 13,927 мВ.

Большие значения термоЭДС имеют термопары из неблагородных металлов, материалом для электродов которых служат специально разработанные сплавы: хромель (69 % никеля, 9,8 % хрома, 1% железа, 0,2% марганца), копель (55 % меди, 45 % никеля). Наибольшее распространение получили термопары типа ТXA (хромель-алюмель) и типа ТХК (хромель-копель).

При автоматическом измерении температуры с помощью термопар используются два основных метода: непосредственное изменение термоЭДС с помощью милливольтметра и компенсационный метод. Так как величина термоЭДС, развиваемой термопарой, невелика, для непосредственного измерения ее необходимы высокочувствительные милливольтметры магнитоэлектрического типа.

Трансформаторные датчики основаны на изменении коэффициента взаимоиндукции обмоток при перемещении якоря (прил.1, п.12). Магнитные системы трансформаторных датчиков такие же, как и у индуктивных датчиков. Отличие заключается лишь в том, что добавляется еще обмотка, с которой снимается выходной сигнал. Благодаря этому в трансформаторных датчиках отсутствует непосредственная 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.

Обмотка возбуждения w₁ трансформаторного датчика с подвижным якорем 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. Максимальная ЭДС Е₂ получается при δ = 0, поскольку при этом магнитное сопротивление замкнутого магнитопровода минимально и по нему проходит максимальный магнитный поток и соответствующая ему ЭДС Е₂. Такой датчик используется для измерения малых линейных перемещений, но имеет серьезный недостаток: зависимость ЭДС Е₂ скорости от перемещения Х якоря нелинейная и не проходит через нуль.

Магнитопровод трансформаторного датчика с поворотной обмоткой неподвижен и состоит из ярма 1 и сердечника 2. Обмотка возбуждения w₁ размещена на ярме 1, запитана переменным напряжением U₁ 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 вторичной обмоткой w₂, в которой индуцируется ЭДС Е₁, являющаяся выходным сигналом датчика. В зависимости от угла поворота a E₂ изменяется от нуля (при a = 0 плоскость рамки размещена вдоль направления магнитного потока; при a = 90° плоскость рамки размещена поперек направления магнитного потока, весь магнитный поток сцеплен с витками вторичной обмотки w₂) до максимального значения. При изменении знака угла поворота a фаза ЭДС Е₂ изменяется на 180°,т.е. датчик является реверсивным. В некотором диапазоне изменения входного сигнала (угла поворота a) обеспечивается линейная зависимость E₂ = f(x). Такие датчики получили распространение для дистанционных передач показаний различных приборов под названием ферродинамических преобразователей. Недостатком этих датчиков является зависимость выходного сигнала от колебаний напряжения и частоты питания.

Трансформаторные датчики с входным сигналом в виде углового перемещения часто выполняются в виде электрических микромашин, известных под названием «вращающиеся трансформаторы» (ВТ). На статоре и роторе ВТ размещены по две взаимно перпендикулярных обмотки.

Трансформаторные датчики, так же как и индуктивные, часто используются с дифференциальной схемой включения обмоток. Если в дифференциальном индуктивном датчике с подвижным якорем использовалось два одинаковых индуктивных датчика, а следовательно, и два сердечника, то в дифференциальном трансформаторном датчике возможно использование общего сердечника. В дифференциально-трансформаторном датчике с общим сердечником 1 перемещается подвижный якорь 2 в горизонтальном направлении. 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, который проходит через средний стержень и разветвляется в правый и левый сердечники пропорционально магнитным проводимостям зазоров под этими стержнями.

Магнитная проводимость воздушного зазора G пропорциональна площади зазора S и обратно пропорциональна его длине δ: G=μ₀S/δ. При перемещении якоря в горизонтальном направлении изменяется не длина зазора, а его площадь S. При симметричном расположении якоря относительно сердечника магнитная проводимость зазора под левым стержнем сердечника (G₁) равна проводимости под правым стержнем (G₂). Следовательно, одинаковы и магнитные потоки в стержнях, и соответствующие им ЭДС во вторичных обмотках: Е₁ = Е₂. 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 через стержень левый проходит больший магнитный поток, чем через стержень правый. Соответственно ЭДС вторичной обмотки на левом стержне становится больше ЭДС вторичной обмотки правого стержня: E₁> E₂. Выходной сигнал датчика U_вых = Е₁ – Е₂. При изменении направления смещения якоря относительно среднего положения фаза выходного сигнала меняется на 180°. Дифференциально-трансформаторные датчики могут работать в широком диапазоне перемещений: 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.

Индукционные датчики предназначены для преобразования скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС, которая создается за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки (прил.1, п.13). Постоянное магнитное поле в индукционных датчиках создается двумя способами: постоянными магнитами или катушкой, обтекаемой постоянным током. На рисунке показана схема датчика с обмоткой w2, размещенной в воздушном зазоре. В зазоре постоянный магнитный поток создается катушкой w1, включенной на постоянное напряжение U. При перемещении катушки в магнитном поле в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения Е = kФdx/dt, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от числа витков w2 и конструктивных параметров датчика.

В индукционном датчике постоянный магнитный поток создается с помощью постоянного магнита с полюсными наконечниками (прил.1, п.13). ЭДС, индуцируемая во вращающейся катушке, пропорциональна скорости вращения.

В обоих датчиках катушки подвижны. Для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца с щетками.

Индукционные датчики могут быть и другой конструкции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магнитом или многополосной шайбой. Надежность при этом повышается за счет отсутствия скользящего контакта. Возможен и другой способ повышения надежности датчика: катушка и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с вырезами (или иной элемент), имеющее разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. При вращении изменяется поток, пронизывающий катушку.

Тахогенератор постоянного тока (прил.1, п.13) имеет обмотку возбуждения, создающую при питании постоянным током магнитный поток Ф. При вращении якоря в нем создается ЭДС, пропорциональная частоте вращения n:

Е=kФn,

где k – постоянная, определяемая конструкцией машины.

Тахогенератор переменного тока имеет на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 90 электрических градусов. Одна обмотка тахогенератора включается в сеть переменного тока. При вращении ротора, выполненного в виде тонкостенного электропроводящего цилиндра, в другой обмотке наводится переменная ЭДС, которая пропорциональна частоте вращения n. 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.

Фотоэлектрические датчики. Фотоэлектрическими приборами называются преобразователи энергии оптического излучения в электрическую энергию. Все фотоэлектрические датчики являются селективными (избирательными), т.е. их чувствительность зависит от частоты светового излучения. Эти датчики реагируют на определенный цвет: красный, зеленый, синий или другой, включая и невидимую часть спектра (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение). Диапазон длин волн видимого света λ=0,38-0,76 мкм. Более короткие волны относятся к ультрафиолетовому диапазону, более длинные – к инфракрасному. Работа фотоэлектрических приборов основана на фотоэлектрических явлениях (фотоэффектах). Различают два вида фотоэффекта: внутренний и внешний.

Внутренний фотоэффект – возбуждение электронов веществ, т.е. переход их на более высокий энергетический уровень под воздействием излучения, благодаря чему изменяется концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается. Он присущ только полупроводникам.

Внутренний фотоэффект может проявляться в виде изменения электрической проводимости в однородных полупроводниках или создания ЭДС в неоднородных полупроводниках. Его используют в фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах и других полупроводниковых фотоэлектрических приборах.

Внешний фотоэффект – фотоэлектронная эмиссия, т.е. выход электронов за пределы поверхности вещества под воздействием излучения. Фотоэлектронная эмиссия в большей или меньшей степени используется в вакуумных и газоразрядных фотоэлементах, а также в фотоэлектронных умножителях.

Фотоэлектрические датчики состоят из источника и приемника светового потока. Источником светового потока может быть сам объект измерения или специальный осветитель (лампа накаливания).

Основные случаи применения фотоэлементов:

· световой поток, зависящий от измеряемой неэлектрической величины, направляется непосредственно на фотоэлемент (оптический пирометр);

· в устройствах для счета деталей и системах, обеспечивающих безопасность (объект при своем движении пересекает световой поток);

· в устройствах для определения прозрачности контролируемой среды (световой поток проходит через объект измерения);

· в устройствах для определения шероховатости поверхности, а также для направления электрода по стыку (световой поток от источника света попадает на объект измерения и отражается от него в зависимости от состояния поверхности).

Для автоматического измерения светового потока 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. К недостаткам следует отнести также зависимость сопротивления от температуры среды.

Фотоэлемент с вентильным эффектом (прил.1, п.10). На металлическую пластину 1 наносится слой полупроводника 2, на поверхности которого осаждается полупрозрачная пленка золота 3. Между золотой пленкой и полупроводником создается запирающий слой, особенностью которого является его односторонняя проводимость. Он может пропускать электроны только в направлении от полупроводника к золоту. Световой поток, попадая через слой 3 на полупроводник, вызывает в нем появление свободных электронов, которые, проходя через запирающий слой только в одном направлении и не имея возможности вернуться обратно, накапливаются в слое 3 и образуют разность потенциалов, в результате чего появляется ток в цепи нагрузки. На поверхность 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.

Фотодиоды чаще используются в САУ с ОС. Для этих же целей используются и фототранзисторы, совмещающие свойства фотодиода и усилительного транзистора.

Датчики Холла. Эффект Холла возникает в проводнике в результате отклонения подвижных носителей тока (электронов) под действием приложенного магнитного поля. ЭДС Холла возникает на боковых гранях пластины с током U_ав, находящейся во внешнем магнитном поле. Направление ЭДС перпендикулярно току и полю, т.е. ее можно замерить между боковыми гранями пластины с помощью электроизмерительного прибора (прил.1, п.14). Причина появления ЭДС Холла в том, что на движущиеся заряды (электроны) в магнитном поле действует сила Лоренца. Под действием магнитного поля они смешаются перпендикулярно направлению своего движения, и вблизи одной продольной грани возникает избыток зарядов, а вблизи другой – недостаток. В обычных проводниках ЭДС Холла очень мала, что объясняется малой скоростью (точнее подвижностью) носителей тока из-за их большой концентрации. Практическое применение эффекта Холла началось в результате 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 Холла сильнее проявляется для веществ, у которых n – число электронов проводимости в единице объема – будет меньше. Использование датчиков Холла для целей автоматики рационально в том случае, если они имеют 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. Наибольшее значение постоянной Холла, которая сильно зависит от температуры, у материала InSb.

Основное применение датчики Холла находят для измерения магнитных полей и используются в очень широком диапазоне напряженности магнитного поля: от 1 до 10⁹ А/м.

Известны также случаи применения датчиков Холла 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 и САУ энергетическими параметрами процесса при контактных способах сварки.

Далее: 3.6 Датчики энергетических параметров сварочной цепи