10.1 Функциональные схемы, классификация и унификация датчиков
Для сбора информации и ее обработки в системах автоматизации и управления сельскохозяйственными машинами применяют широкий спектр электрических и неэлектрических датчиков. Наиболее широко используемыми являются электрические датчики. Эти датчики достаточно просты по конструкции, дешевы и относительно универсальны в смысле их применения при автоматизации различных технологических процессов. Следует однако заметить, что неэлектрические параметры сначала при помощи датчиков преобразуют в электрические сигналы, а затем эту достаточно точную информацию используют далее. Следует отметить, что уровень автоматизации сельскохозяйственных машин зависит в первую очередь от совершенства датчиков.
По своим функциональным схемам датчики бывают следующих типов: с непосредственным преобразованием (рис.10.1, а), с промежуточным преобразованием (рис.10.1,б), с промежуточным преобразованием и обратной связью (рис.10.1,в).
Как было указано ранее, основной частью любого датчика является чувствительный элемент (иногда его называют первичный преобразователь). Он реагирует на отклонение управляемой величины от заданного значения и передает его далее.
По принципу работы чувствительного элемента (первичного преобразователя) датчики делятся на две группы: генераторные и параметрические.
В генераторных датчиках (рис.10.1, а) в чувствительном элементе происходит непосредственное преобразование контролируемой (входной) величины х в выходную у . Это преобразование происходит за счет энергии входной величины (например, термопара).
В состав параметрических датчиков (рис.10.1, б), кроме чувствительного элемента, входит промежуточный преобразователь и вспомо- гательный блок питания (например, мост с терморезистором для измерения температуры).
Датчики с обратными связями (рис 10.1, в) более совершенны и обладают целым рядом преимуществ: они более устойчивы к некоторым видам внешних возмущений, обладают большей чувствительностью, стабильностью и точностью работы, хотя они дорогие и сложные.
В соответствии с ГСП (государственной системой приборов) датчики предназначены:
- для получения информации о состоянии технологического процесса с целью контроля его режимов;
- для получения, преобразования и хранения информации с целью учета продукции по ее количеству и качеству;
- для получения информации с целью осуществления ручного или автоматического управления техпроцессом.
Подавляющее большинство датчиков на выходе дают электрическое напряжение или ток, величины которых количественно связаны с контролируемой величиной.
С целью унификации приборов и систем автоматики датчики также унифицированы по величинам и типам сигналов на их выходе, что позволяет на их выходе применять во всех остальных случаях узлы автоматики, обусловленные ГПС.
Параметры выходных сигналов унифицированных датчиков приведены ниже.
Сигналы постоянного тока
I=0...5; 0...20; 0...100 мА
U=0...10 В.
Сигналы переменного тока
U=0...2 В.
Сигналы время -импульсные
U=0.6; 1.2; 4.8; 6; 12; 24; 48; 60; 120В
t=(1;2;4;6;8) ? 10 n с при n=1,2,3... .
Сигналы частотные
f=300+1.13 k (n-1) Гц ; k=0.5; 1; 2; n=1,2,3... .
Фазовые сигналы
j =0 ° ;60 ° ;90 ° ;120 ° ;240 ° ;270 ° ;300 ° .
По точности датчики делятся по следующим классам: 0.25; 0.4; 0.6; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0.
Класс точности 4.0 допускается для датчиков, определяющих состав жидкостей и газов.
Требования к датчикам: точность, надежность работы, чувствительность, стабильность в работе, однозначность статической характеристики, малая инерционность, совместимость с последующими узлами, малая масса, габариты, удобство монтажа и эксплуатации.
10.2 Реостатные, контактные и потенциометрические датчики
Реостатные (или омические) датчики получили это название по названию чувствительного элемента. Эти датчики применяют для контроля и измерения линейных перемещений, сил и моментов, колебаний и угловых перемещений и некоторых других неэлектрических величин. К реостатным датчикам относятся датчики, принцип действия которых основан на изменении омического сопротивления под действием измеряемой величины. Общим достоинством этих датчиков является простота конструкции, стабильность работы, безынерционность, хорошая чувствительность и относительно большая мощность на их выходе. Ниже мы подробно рассмотрим различные типы этих датчиков.
Основным элементом контактных датчиков являются два или более контактов, которые срабатывают под действием механического воздействия, замыкая или размыкая при этом электрическую цепь и формируя электрический импульс, который в дальнейшем используют для управления. Эти датчики используют для измерения значительных перемещений, они имеют ограниченный срок службы и не обеспечивают непрерывного контроля.
В потенциометрических датчиках чувствительный элемент (резистор) включается по схеме потенциометра, вследствие чего они получили такое название. Подвижный контакт этих датчиков повторяет перемещение контролируемого элемента, что приводит к изменению напряжения на его выходе. На рис. 10.2 представлены схемы потенциометрических датчиков.
Если свернуть каркас датчика в дугу, то можно использовать его для контроля угловых перемещений. Рассмотрим датчик по схеме рис. 10.2, а. Для этой схемы мы можем записать такие уравнения:
где R l - сопротивление той части потенциометра, которая подключена к измерительному прибору (ИП) и пропорциональна изменению контролируемого перемещения; R - величина полного сопротивления потенциометра; L - полная длина намотки потенциометра; I l - ток в части потенциометра R l ; I п - ток в измерительном приборе ИП; . R п - сопротивление измерительного прибора; U - напряжение источника питания.
Решая эти уравнения относительно I П , имеем:
(10.1)
Обычно сопротивление измерительного прибора во много раз больше сопротивления потенциометра R п >>R и тогда выражение (10.1) примет вид
(10.2), (10.3)
Из рассмотрения (10.2) и (10.3) видно, что I п и U п прямо про- порциональны измеряемой величине l.
Из выражений (10.2) и (10.3) нетрудно найти формулы для определения чувствительности датчика (по току k дi и по напряжению k дu )
(10.4)
Потенциометрические датчики характеризуются высокой точностью и стабильностью характеристик, а также прос то той и малыми габаритами. Они, как правило, не требуют усилителей и имеют значительную выходную мощность. Наличие же подвижных частей и контактов снижает их надежность , они нашли широкое применение в автоматике сельскохозяйственных машин .
10.3 У гольные и тензометрические датчики
В основе принципа действия угольных датчиков лежит изменение электрического сопротивления столба угольных дисков под действием на ни х силы.
На рис. 10.3 , а показан самый простой угольный датчик представляющий собой столбик из графитовых таблеток, сверху и снизу которого сделаны выводы.
Электрическое сопротивление этого столбика складывается из двух составляющих: первая - собственное сопротивление каждой таблетки и вторая - сопротивление перехода между таблетками , которое зависит прежде всего от того, как плотно прижаты эти таблетки друг к другу.
R=R o +a/F , (10.5)
где R o - сопротивление столбика при F ® ? , Ом ; F - сила, Н ; а – постоянный коэффициент, Ом ? Н.
Чувствительность датчика может быть рассчитана по формуле
На рис. 10 .3, б показаны зависимости параметров датчика от величины приложенного усилия F . Нетрудно вид еть, что зависимость I п ( F ) очень нелинейна, что является существенным его недостатком. Следует также заметить , что чувствительность таких датчиков невысокая. С целью повышения чувствительности этих датчиков их включают по мостовой схеме рис. 10.3 , в. Прилагаемое усилие F уменьшает сопротивление нижнего плеча R 1 и увеличивает сопротивление верхнего плеча R 2 . Постоянно приложенное усилие F о необходимо для того, чтобы выбрать для работы линейный участок статической характеристики . Такие датчики называют также дифференциальными. Общими недостатками угольных датчико в является нестабильность сопротивления, нелинейность статической характеристики, наличие гистерезиса.
В тензометрических датчиках используется зависимость величины электрического сопротивления материала (проволоки) от величины его деформации (растяжения или сжатия). Тензометрический датчик представляет собой тонкую проволоку , уложенную определенным образом и обклеенную с двух сторон полосками бумаги. Тензометрические датчики применяют для измерения деформаций деталей. Для этого его прочным клеем приклеивают к испытываемой детали. Электрическое сопро тивление проволоки R изменяется на величину D R при ее растяжении или сжатии, которая связана с величиной относительной деформации
Коэффициент чувствительности тензометрического датчика определяется следующим выражением:
(10.6)
Рис. 10.4 Тензометрические датчики : а - петлевой; б - статическая характеристика; в - датчик для измерения кольцевых деформаций; 1 - бумажная полоска; 2 - проволока; 3 - выводы
В качестве материала для проволоки используют сплавы нихрома или константана .
В настоящее время начато производство полупроводниковых тензодатчиков - тензолитов , которые обладают высокой чувствительностью , но малой температурной стабильностью.
В основе принципа работы магнитных датчиков положена взаи - мосвязь между магнитным полем и контролируемой величиной. Э та кон тролируемая величина может быть по своей природе электрической и неэлектрической .
Рассмотрим основные типы магнитных датчиков.
Индуктивные датчики . Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении величины индуктивности его катушки при
перемещении ее сердечника. На рис. 10.5 представлен индуктивный дат чик с плоским подвижным сердечником.
Входной величиной в этом датчике является изменение величины воздушного зазора d , а выходной величиной ток I п в приборе ИП . Очевидно, что величина тока I п зависит от величины индуктивного сопротивления (активную составляющую не берем во внимание ) датчика, т а к как питается он переменным напряжением. Индуктивность катушки датчик а может быть рассчитана по формуле:
(10.7)
а ток на выходе
(10.8)
где w - число витков катушки; S - поперечное сечение сердечника, м 2 ;
d - воздушный зазор , м; R = R об + R п -суммарное активное сопротивление обмотки прибора , Ом .
Чувствительность датчика определяют согласно следующему выражению:
Представленный на рис. 10. 5 датчик применяется весьма редко по следующим причинам: нелинейность реальной статической характеристики , фаза выходного сигнала не зависит от знака входной величины.
Более совершенным является дифференциальный индуктивный датчик (рис. 10.6), который широко используется на практике. Входной величиной также является перемещение подвижного сердечн ика относительно среднего положения, а выходной - геометрическая разность токов I 1 -I 2 .
Длина подвижного сердечника равна высоте намотки катушки L 1 L 2 (катушки имеют полную геометрическую и электрическую симметрию ). Когда сердечник находится в среднем положении эти токи равны, следовательно, ток в измерительном приборе равен нулю. Если сердечник сместится вверх или вниз, то индуктивное сопротивление нижней или верхней катушки уменьшится и, следовательно , изменится разность токов. Фаза выходного тока будет зависеть от направления смещения, а амплитуда от его величины.
Датчики с использованием эффекта Холла. Полупроводниковая пластинка 1 , имеющая две пары вывод ов 2 , как показано на рис. 10.7. К выводам подводится электрический ток I . Перпендик улярно к пластине подводится магнитное поле. При изменении величины индукции магнитного поля В носители ( электроны) отклоняются от своего первоначального направления движения и создают на пластинах 3 разность потенциалов U . Отсюда следует, что входной величиной является изменение индукции В магнитного поля, а выходной - изменение напряжения U . Изменение величины индукции В магнитного поля может быть вызвано введением магнитного экрана, перемещением постоянного магнита и т.п.
Напряжение U можно определить по формуле
(10.9)
где k - коэффициент Холла; для различных полупроводниковых материалов он лежит в пределах от 10 -2 до 9 ? 10 -9 м 3 /А ? с ; I - сила тока , А ;
B - величина индукции , Тл; d - толщина пластины, м.
Следует отметить, что большим достоинством датчика Холла является широкий диапазон входных и выходных сопротивлений, хорошая виброустойчивость и большая надежность.
К магнитным датчикам относят также магнитоупругие датчики (рис.10.8).
Принцип действия магнитоупругого датчика основан на изменении магнитных характеристик ферромагнитных материалов в зависимости от из менения механического напряжения в детали. При изменении магнитных характеристик магнитопровода про ис ходит изменение индуктивности или вза имной индуктивности обмоток датчика. Следует отметить, что датчик жестко прикреплен к детали и напряжения не выходят за пределы упругой деформации.
К недостаткам этих датчиков следует отнести необходимость индивид уальной калибровки каждого датчика и необратимые изменения магнитных свойств магнитопроводов.
К магнитным датчикам относятся так ж е магнитосопротивления, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивл ения некоторых проводников и полупроводников при изменении действующего на них магнитного поля .
Принцип действия емкостных датчиков основан на изменении следующих параметров, определяющих емкость плоского конденсатора (аналогично и цилиндрического), согласно формуле
(10.10)
Как правило , в этих датчиках изменяется расстояние между пластинам и, тогда коэффициент чувствительности определяют так:
Для цилиндрического датчика
(10.12)
(10.13)
С помощью емкостных датчиков можно измерять не только уровень заполнения , но и влажность . Тогда коэффициент чувствительности, например, плоскостного датчика определяется по формуле
(10.14)
рис .10.9 показаны плоскостной датчик и цилиндрический
К ёмкостным датчикам можно также отнести пьезоэлектрические датчики ( рис. 10.10 ) , принцип действия которых основан на пьезоэффекте - появлении на поверхности пластины из специального материала электрических зарядов при приложении к ней механического усилия (например, у кварца) .
Величина за ряда на пластинах пропорциональна величине действующей силы F , а знак зависит от направления этой силы. Величина напряжения на обкладках определяется формулой
(10.15)
где а о - коэффициент пропорциональности, или пьезомодуль, Кл/Н ;
С - емкость датчика, Ф ,
а чувствительность – формулой
(10.16)
Применение пьезодатчиков ограничено малой величиной выходного напряжения (т.е. нужен усилитель) и хрупкостью.
В последнее время в средствах автоматики начали применять электро- люминесцентные конденсаторы. На рис. 10.11 показан такой конденсатор. В этих приборах происходит преобразование электрической энергии непосредственно в световую благодаря свойству некоторых материалов светиться (например, фосфора) в переменном электрическом поле.
Цвет и яркость свечения зависят от материала люминофора и парамет ров электрического поля (напряженности и частоты), приложенного к прибору. Наилучший режим работы при U = 100...600 В и f= 100...600 Гц . Потребление энергии невелико и составляет величину не более нескольких ватт, внутреннее сопротивление относительно большое. П ри работе на постоянном токе прибор вспыхивает при подаче и снятии напряжения.
К общим свойствам емкостных датчиков следует отнести очень малую инерционность, применение дифференциальных и резонансных схем для повышения чувствительности (при этом необходимо увеличивать частоту питающего напряжения), из-за малой мощности выходного сигнала необходимо применение усилителей.
К радиационным датчикам относят многие типы датчиков, работающие с использованием лучистой энергии различных длин волн.
Оптические (световые) датчики
Эти датчики используют в устройствах автоматики как элементы, реагирующие на появление или исчезновение светового потока, на изме - нение его интенсивности, количество световых импульсов, длину волны п а дающего светового потока.
В оптических датчиках используют следующие элементы: фоторезисторы, вакуумные фотоэлементы, фотодиоды, фототриоды, фото тиристоры, оптроны.
Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменения электрической проводимости полупроводникового материала под действием светового потока ( рис. 10.12 ).
Обычно на стеклянную пластину 1 наносят тонкий слой полупроводника 2, к противоположным сторонам которого приклеены электроды 3 , служащие для включения фоторези с тора в схему. Вся эта конструкция запрессована в оправку 4, в которой оставлено рабочее окно 5 , покрытое светопроницаемым лаком. Эти приборы имеют высокую чувствит ельность, работают в цепях постоянного и переменного тока, просты по конструкции, малогабаритны, рассеивают значительную мощность, надежны в работе, а также могут работа ть в инфракрасном диапазоне.
Наряду с этим их параметры зависят от температуры, они имеют нелинейную зависимость фототока от светового потока и относительно .
бо льшую инерционность (порядка 10 -3 ...10 -5 с при световом потоке 10-5 лм) .
Вакуумный фотоэлемент -это один из первых фотоэлектронных приборов (рис . 10.13) .
Этот вакуумный или газонаполненный прибор конструктивно представляет собой стеклянный баллон , на внутреннюю поверхность которого нанесен светочувствительный слой, являющийся катодом К , и внутри которого расположен анод А .
Вакуумные фотоэлементы обычно работают в режиме насыщения. Этот режим характерен тем, что фототок зависит только от величины светового потока и не зависит от величины приложенного напряжения. Под воздействием светового потока из материала катода выбиваются электроны, которые под воздействием электрического напряжения, приложенного к прибору, двигаются на анод (это явление называется внешним фотоэффектом). Чтобы повысить чувствительность, прибор заполняют инертным газом, благодаря чему при движении электронов от катода к аноду газ ионизируется и, как следствие, увеличивается ток в приборе.
Вакуумные фотоэлементы малоинерционны, но имеют низкую чувствит ельность и невысокую выходную мощность. Кроме того, они очень сильно подвержены старению .
Самым простым представителем полупроводниковых фотоприборов является фотодиод. Это приемник световой энергии, проводимость которого изменяется под воздействием светового потока. Он так же, как и фоторезистор, является прибор ом с внутренним фотоэффектом. Фотодиод может работать в двух режимах – фотопреобразовательном (с внешним источником питания) и фотогенераторным (без него). На рис. 10.14 представлена схема включения фотодиода в фотопреобразова - тельном режиме.
На фотодиод подается напряжение U обратной полярности (+ к области “ п ” и - к области “ р ”). При освещении р-n перехода в области “ n ” происходит увеличение количества электронов в зоне проводимости. В результате в обеих областях (“ n ” и “ р ”) увеличивается число пар свободных носителей заряда (дырок и электронов) и электропроводность уве- личивается. Фотопреобразовательный режим позволяет значительно увеличить светочувствительность.
В сравнении с фоторезисторами они имеют более высокое быстродействие, но меньшую чувствительность.
К недостаткам фотодиода следует отнести температурную нестабильность параметров.
Помимо фотодиода существует еще один двух электродный р-п переходный прибор - светодиод. Он представляет собой полупроводниковую пластинку с излучающим р- n переходом. Свечение р-n перехода происходит из-за рекомбинации носителей при приложении прямого напряжения. Явление рекомбинации - это захват свободного электрона дыркой. Если теперь поместить друг напротив друга светодиод и фотодиод, то получим датчик, который можно использовать для контроля различных величин.
Фототриод ( или фототранзистор) - это фотоэлектрический прибор с двумя р-п переходами. Он способен усиливать фототок, возни- кающий под действием светового излучения (рис. 10.15).
Конструктивно он напоминает транзистор. На полупроводниковой пластинке нанесены три чередующиеся области р-п-р . Контактные выводы соответствуют Б -базе, К -коллектору, .
Э -эмиттеру и служат для подключения фототриода. Внешний световой поток попадает на область “ п ” базы, и в результате этого под его воздействием в ней образуются пары электрон-дырка. Электроны диффундируют в область эмиттера, а дырки - в область коллектора.
Вследствие этого в эмиттерно-базовом переходе создается ток аналогично току базы в р-п-р транзисторе. Электроны за счет напряженности поля, обусловленной разностью их концентрации у открытого база- эмиттер перехода и закрытого база-коллектор перехода, устремляются к закрытому коллекторному переходу и втягиваются потом в область р коллектора. Изменения фототока гораздо меньше изменений тока коллектора, т.е. прибор усиливает входной фототок.
Фототриоды обладают очень большой чувствительностью в сравнении с другими фотоприборами. Управлять входным током фототриода можно не только световым потоком, но и электрическим сигналом.
Фототиристор . Название прибора состоит из двух слов греческого происхождения: фото - свет и тира - дверь. Это полупроводниковый фотоэлектрический прибор с тремя р-п переходами, в вольт- амперной характеристике которого имеется участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению. На рис. 10.16 показана схема включения тиристора. Принцип его действия аналогичен принципу действия обычного тиристора (тринистора).
В исходном положении прибор закрыт, анодный ток равен нулю. Питающее напряжение подается таким образом, что переход р 1 -п 1 и р 2 -п 2 - открыты, а средний переход р 2 -п 1 - закрыт. Ток тиристора очень мал. Воздействие светового потока дает тот же результат, что и воздействие напряжения на управляющем электроде УЭ . Средний переход открывается, происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда за счет лавинного умножения носителей заряда на этом переходе. Как следствие - тиристор открывается, ток в нем резко возрастает, а напряжение падает. Выключить прибор можно только снятием питающего напряжения. Световое управление имеет преимущество перед электрическим, так как оно не имеет гальванической связи и позволяет использовать управляющий электрод для других целей.
Оптрон . Оптоэлектронными приборами называют приборы, преобразующие в световую (лучистую) энергию электрические сигналы
с одновременной передачей этой энергии индикаторам. Наиболее распространенным типом этих приборов является оптрон. Оптрон состоит из источника и приемника излучения, имеющих между собой определенную оптическую и электрическую связь и помещенных в один корпус. На рис. 10.17 показаны схемы оптронов.
Между фотоэлементом ФР и электролюминесцентным элементом ЭЭ связь может быть оптической (рис.10.17, а), электрической (рис.10.17, б) или смешанной (рис.10.17, в).
В первом случае, при оптической связи, оптрон является управляемым элементом, т.к. свет, излучаемый электролюминесцентным элементом, вызывает изменение тока в цепи фоторезистора.
Во втором случае, когда фоторезистор последовательно соединен с электролюминесцентным элементом, получают так называемый моностабильный оптрон. В моностабильном оптроне видимое или невидимое (инфракрасное, ультрафиолетовое) излучение принимается фоторезистором и преобразуется в видимое излучение электролюминесцентного элемента.
В третьем случае, при смешанном включении получают оптрон с так называемой S -образной вольт-амперной характеристикой, имеющей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Оптроны применяют в схемах приема и хранения информации.
Радиоизотопные датчики
В этих датчиках используют радиоизотопные материалы с четырьмя типами жестких излучений: a частицы - ядра гелия; b частицы - поток электронов; g излучение - электромагнитные волны с длинной волны менее 8 ? 10 - 11 м и х лучи - рентгеновские лучи (электромагнитные волны с длиной волны от 10 - 8 м до 10 - 11 м ). В системах автоматики эти датчики используют относительно редко из-за необходимости принятия специальных мер для обеспечения безопасности обслуживающего персонала.
Акустические датчики
Принцип действия этих датчиков основан на измерении коэффициента затухания или времени прохождения упругих колебаний в контролируемой среде.
На рис. 10.18 показаны схемы использования акустических датчиков.
Акустический датчик состоит из двух частей: излучается ИЗ и приемника ПР . В качестве излучателей и приемников используют магнитострикционные и пьезоэлектрические вибраторы. Магнитострикционный вибратор представляет собой магнитный сердечник с обмоткой. При подаче в обмотку переменного тока магнитный сердечник изменяет свои размеры (явление магнитострикции).
Эти датчики имеют невысокую точность, так как на результи- рующий сигнал оказывают значительное влияние кроме контролируемых параметров характеристики генератора, излучателя и приемника.
При измерении температуры в качестве датчиков используют элементы, которые в значительной степени изменяют свои физические свойства под воздействием температуры.
Жидкостные датчики . Принцип действия этих датчиков основан на изменении объема жидкостей (спирт, ртуть) под воздействием температуры. На рис.10.19 показаны пять способов применения жидкостных датчиков.
Жидкостные датчики преобразуют изменение температуры D t в изменение высоты столба жидкости D l в капиллярной трубке
На рис. 10.19, а поднимающийся с увеличением температуры столб жидкости замыкает контакты и подает сигнал во внешнюю цепь; далее (б) происходит изменение омического сопротивления; в случае (в) - изменение индуктивного сопротивления, в случае (г) - емкостного сопротивления, а (д) - интенсивности светового потока.
Жидкостные датчики являются одними из самых простых по устройству, но они очень хрупки и дают плохую точность при работе в условиях вибраций.
Манометрические датчики. Принцип действия манометрических датчиков также основан на явлении объемного расширения жидкостей или газов, но в отличие от жидкостных здесь используется изменение давления и далее перемещения. В качестве рабочего тела в них используют: ртуть, ацетон, эфир, спирт, азот, инертные газы и т.д. На рис. 10.20 представлены виды манометрических датчиков.
В общем случае манометрический датчик состоит из теплоприемника 1, соединительной капиллярной трубки 2 и измерительного элемента, который представляет собой специальную мембрану 3 (см.рис.10.20,а), либо сильфон (см.рис.10.20,б), либо манометрическую пружинную трубку (см.рис.10.20,в). При изменении давления происходит преобразование его в перемещение, которое передается через механическую систему (4,5), перемещает стрелку и замыкает контакты (6).
Манометрические датчики весьма инерционны, диапазон измеряемых температур определяется тепловыми параметрами рабочего тела.
Биметаллические датчики . В основу этого датчика также . положен принцип линейного температурного расширения материалов (металлов).На рис.10.21 представлено температурное биметаллическое реле
При прохождении электрического тока по нагревательному элементу 2 с повышением температуры биметаллическая пластина 1 начинает изгибаться вверх (так подобраны температурные коэффициенты расширения: коэффициент нижней пластины больше, чем верхней), изоляционный наконечник 3 замыкает контакты и подает сигнал.
При всей простоте эти реле срабатывают весьма нечетко, что приводит к подгоранию контактов и выходу их из строя.
Дилатометрические датчики . Это же явление температурного изменения размеров положено в основу принципа действия дилатометрического датчика. На рис.10.22 представлена конструкция этого датчика.
Внутри трубки 1, имеющей большой температурный коэффициент линейного расширения, расположен стержень 2, имеющий малый коэффициент и жестко связанный с трубкой. При изменении температуры длина трубки изменяется и происходит перемещение стержня, свободный конец которого связан со стрелкой, а стрелка с контактами.
Следует отметить, что биметаллические и дилатометрические датчики, как правило, используются в качестве элементов тепловой защиты двигателей.
Терморезисторы. Терморезисторы (или термосопротивления) - элементы, электрическое сопротивление которых зависит от температуры. Они работают в достаточно широком диапазоне температур от -200 до +650 о С. Эти элементы дают на выходе значительную мощность и хорошо согласуются со вторичными приборами. Терморезисторы бывают металлическими и полупроводниковыми. Металлические терморезисторы изготавливают из проволоки чистого металла (медь, железо, никель, платина), которую навивают на изоляционный каркас и покрывают защитным кожухом.
Для медного терморезистора, который работает в диапазоне от -50 до +180 о С, сопротивление определим по формуле
где R мо - сопротивление медной проволоки при температуре t о , Ом ;
a - температурный коэффициент сопротивления;
t о - исходная температура.
Для платинового терморезистора, который работает в диапазоне температур от -200 до +650 о С сопротивление определяется по формуле
где R п о - сопротивление платиновой проволоки при температуре t о ;
А, В - постоянные коэффициенты.
Металлические терморезисторы обладают очень стабильными характеристиками и позволяют осуществить высокую точность измерений. Как недостаток - необходимость применения электронных мостов в схемах измерений.
Полупроводниковые терморезисторы . Эти терморезисторы бывают двух видов: с отрицательным и положительным температурным коэффициентом сопротивления. Первые называются термисторами, а вторые - позисторами.
Формула, описывающая зависимость сопротивления термистора R т от температуры, имеет вид
где А,В - постоянные коэффициенты, характеризующие свойства полу- проводника
Для позисторов не существует общего выражения зависимости его сопротивления от температуры. На практике для этой цели используют экспериментальные характеристики и приближенные аналитические выражения.
Полупроводниковые терморезисторы используются в датчиках температуры, в датчиках, измеряющих скорость движения воздуха или жидкости, уровней сыпучих и жидких материалов, влажности и т.п. Изме-рительные схемы, в которых используют эти датчики, позволяют получить высокую точность измерений на значительном расстоянии, благодаря тому, что сопротивление этих датчиков много больше сопротивления подводящих проводов.
Термопара. Термопара является хорошо известным датчиком температуры генераторного типа. Они бывают металлическими и полупроводниковыми.
Металлическая термопара состоит из двух определенным обра- зом подобранных проволок 2, концы которых спаяны 1(сварены), а другие подключены к измерительному прибору (рис.10.23).
При нагревании места спая на свободных концах появляется термоЭДС Е, величина которой пропорциональна разности температур нагретого t г и свободных (холодных) t х концов
На практике для определения температуры спая по величине термоЭДС Е используют экспериментальные характеристики термопар (рис.10.23, зависимость Е=f(t), кривая I ).
Полупроводниковые термопары гораздо более чувствительны в сравнении с металлическими (рис 10.23, зависимость Е=f(t), кривая II).
Кроме того, следует отметить, что в измерительных схемах термопары используют вместе с электронными потенциометрами.
10.8 Датчики влажности и уровня
При измерении влажности тел методы измерения влажности разделяют на две группы: прямые методы и косвенные методы.
К прямым методам относят, например, метод высушивания, как наиболее распространенный, который заключается во взвешивании влажного материала, потом его высушивании, повторном взвешивании и по разности влажной и сухой массы определении влажности.
Косвенные методы позволяют определять влажность по физическим характеристикам, зависящим от влажности. Хотя косвенные методы и менее точны, чем прямые, но они легко реализуемы технически, имеют хорошее быстродействие и легко вписываются в схемы автоматизации контроля. Наиболее широко применяемыми косвенными методами являются электрические методы, которые разделяются на две большие группы: электрофизические и электропараметрические.
Электрофизические методы используют радиационные датчики, работа которых основана на измерении степени поглощения влагой излучений (электромагнитных высокочастотных, g - лучей, инфракрасных и нейтронных), а также магнитоядерные резонансные, принцип действия которых основан на поглощении радиочастотного магнитного поля ядрами атомов водорода.
Электропараметрические методы используют кондуктометриче- ские датчики, которые измеряют влажность по величине электрического сопротивления; диэлькометрические, которые позволяют судить о влаж- ности по величие диэлектрической проницаемости или тангенса угла потерь, и гигрометрические, в которых по изменению электрических или механических характеристик вспомогательного гигроскопического элемента судят о влажности.
При измерении влажности газов и воздуха чаще всего предпочитают гигрометрические дилатометрические датчики (в них используют обезжиренный человеческий волос или тоненькую пленку из кишок скота); гигристоры (элементы, активное сопротивление которых зависит от влажности); электропсихрометр (электрический мост, в котором имеются два терморезистора), рис. 10.24.
В этом датчике в два плеча моста включены два одинаковых полупроводниковых терморезистора R сх и R вл . Эти терморезисторы заключены в гигроскопичные керамические трубки. Одна трубка своим концом опущена в воду, а вторая находится в воздухе.
Отсюда следует, что температура сухого терморезистора равна температуре воздуха и его сопротивление определяется величиной этой температуры. Сопротивление влажного резистора R вл будет выше, т.к. испаряющаяся влага понизит температуру этого резистора. Чем меньше влажность воздуха, тем больше влаги испаряется трубкой влажного резистора и тем больше будет разница их сопротивлений. Чем больше разбалансирован мост, тем больше будет разность потенциалов на приборе ИП .
Существует еще несколько датчиков измерения влажности, например, температурно-конденсационный, температурно-равновесный.
Кроме того, нельзя не упомянуть о психрометре на двух термометрах: сухом и влажном.
Датчики влажности сельскохозяйственной продукции и ее производных.
К сельскохозяйственной продукции , как правило, относят: зерно, муку, комбикорм, сено, сенаж и т.п. Для измерения влажности этих материалов наибольшее распространение получили кондуктометрические, диэлькометрические, ультразвуковые, электроабсорбционные, радиационные и сверхвысокочастотные датчики.
Задача измерения влажности сельскохозяйственной продукции решена далеко не в полной мере из-за трудностей, определяемых колоссальной зависимостью физических свойств от влажности при больших ее значениях. При значениях влажности до 20% большинство сельскохозяйственных материалов ведут себя как неоднородные диэлектрики, а при больших значениях они становятся полупроводниками и даже проводниками.
На практике чаще всего применяется диэлькометрический метод измерения влажности.
Однако сразу следует указать на то, что активное сопротивление большинства сельскохозяйственных продуктов зависит от многих факторов и в первую очередь - от влажности и температуры, причем - это нелинейные зависимости. Все это очень затрудняет создание универсальных датчиков. При создании этих датчиков практически для каждого материала (пшеница, овес, рожь, мука, крупа и т.п.) шкала должна иметь свою градуировку, и это все при условии, что материал спрессован до определенной плотности. Схемное решение должно также иметь температурную компенсацию.
Более приемлемыми являются датчики, работающие на высоких частотах порядка мегагерц. Они свободны от многих недостатков низкочастотных датчиков: релаксационные виды поляризации, приэлектродные процессы на границе раздела между электродом и материалом.
Для уменьшения влияния приэлектродных процессов электроды датчика изолируют, но это не устраняет влияние медленных видов поляризации материала и уменьшает чувствительность. Эти датчики также требуют индивидуальной градуировки в зависимости от вида материала.
Радиоизотопные (нейтронные) датчики , принцип действия которых основан на явлении ослабления атомами водорода, входящими в состав воды, ядерного излучения, обладают высокой чувствительностью и имеют весьма малую зависимость результатов измерения от физико- химических свойств контролируемого материала и поэтому они широко применяются в производстве. Правда, здесь на первый план выходит опасность облучения обслуживающего персонала при неправильном их использовании и хранении.
Датчики измерения влажности почвы используются электроабсорбционные датчики. Принцип действия этих датчиков основан на явлении абсорбции (поглощении) влаги. Конструктивно они представляют собой пористый блок с вмонтированными внутри его электродами.
Блоки изготавливают из гипса, тирита, вилита, ионитовых смол и других пористых материалов, а электроды из нержавеющей стали или угольных стержней.
Датчик помещают в почву, он впитывает влагу, его влажность постепенно приближается к равновесной влажности почвы. При этом изменение равновесной влажности датчика изменяет его электрическое сопротивление, по величине которого судят о величине влажности.
Электроабсорбционные датчики влажности почвы просты по конструкции и имеют небольшую стоимость, но вместе с этим они очень инерционны и их параметры сильно зависят от температуры.
Возможно построение датчиков, основанных на изменении диэлектрической проницаемости почвы, а также радиационных датчиков (ультразвуковых и сверхвысокочастотных).
В сельскохозяйственных машинах используют датчики для контроля уровня жидких и сыпучих материалов.
Для контроля уровня жидкостей применяют следующие типы датчиков: поплавковые, гидростатические, электродные, акустические (ультразвуковые), оптические.
Очень широко применяются поплавковые датчики в различных модификациях. На рис. 10.25 показана схема поплавкового датчика уровня с магнитоуправляемыми контактами для измерения уровня жидкости в герметизированных емкостях.
Вдоль емкости из немагнитного материала устанавливают направляющие 4, по которым движется поплавок 2 с укрепленным на нем постоянным магнитом 3. При заполнении емкости жидкостью поплавок поднимается, и магнит поочередно замыкает магнитоуправляемые контакты 1, установленные на определенных уровнях, включая цепь питания соответствующей лампочки на панели оператора. Таких лампочек может быть установлено несколько на разных уровнях. Вместо магнитоуправляемых контактов и магнита поплавок может передвигать подвижный контакт потенциометра, и тогда мы будем иметь потенциометрический поплавковый датчик.
На рис.10.26 показан мембранный датчик уровня . Когда жидкость достигнет уровня установки мембраны, мембрана 1 сдвигается вправо и толкатель 2 (из изоляционного материала) с металлическим .
наконечником 3 замкнет контакт 4. Толкатель приклеен к мембране и при опускании уровня жидкости вместе с выпрямляющейся мембраной сдви- нется влево и разомкнет контакты
Для измерения уровня сыпучих материалов (зерна, удобрений и т.п.) применяют поплавковые, мембранные, ёмкостные и др. датчики. На рис. 10.27 представлен ёмкостный датчик.
Пластины датчика имеют электроизоляционнное покрытие. При заполнении пространства между пластинами сыпучим материалом (можно и жидкостью) диэлектрическая проницаемость конденсатора, образованного этими пластинами увеличивается, что приводит к срабатыванию схемы формирования сигнала на пульт оператора.
Измерение максимального уровня трудносыпучего материала (крупных кусков мела, соли, удобрений и т.п.) можно производить с по- мощью датчика, схема которого показана на рис. 10.28.
Датчик работает следующим образом. Двигатель Д через подвижную муфту 2, укрепленную на его валу 1, приводит в движение червяк 3 червячной пары. На валу червячного колеса 4 укреплена крыльчатка 5. При незаполненном бункере крыльчатка свободно вращается, а продукт подается в бункер. Как только уровень заполнения бункера продуктом достигнет крыльчатки, она затормозится, а червяк, некоторое время вращаясь под действием двигателя (он соединен подвижной муфтой), начнет перемещаться вправо. При этом пружина 7 начнет сжиматься, а вал 8 с изоляционным наконечником 9 разомкнет кантаты 10 и ра- зорвет цепь питания двигателя, и одновременно подаст сигнал на пульт управления (эта цепь не показана). При уменьшении уровня продукта крыльчатка освободится, а под действием сжатой между шайбой 6 и стойкой пружины червяк 3 сдвинется влево. Контакты 10 замкнуться, и на двигатель Д будет подано питание.
Датчик свободен от недостатков, свойственных датчикам других типов, предназначенных для измерения уровня трудносыпучих материалов. Применение в качестве контактов 10 бесконтактной схемы позволит значительно повысить его надежность, а выбор двигателя по мощности и прочной механической части дает возможность его использования для контроля уровня заполнения емкостей практически любыми трудносыпучими или вязкими материалами.
Датчики давления, применяемые в сельскохозяйственных машинах весьма разнообразны в связи с тем, что они используют различные физические явления.
Мы остановимся на рассмотрении трех, т.к. все остальные могут быть построены на их основе в комбинации с другими датчиками (электроконтактными, индуктивными, пьезоэлектрическими и т.п.), рис.10.29.
В жидкостном датчике с U - образной системой разность давлений Р 1 и Р 2 уравновешивается весом столба жидкости высотой h
где р - плотность жидкости, кг/м 3 ; h - высота столба, м .
Жидкостные датчики давления работают довольно стабильно и точно, но вследствие того, что они имеют малые пределы измерения, большие габариты, требуют строго вертикального расположения и т.п., их применение весьма ограничено и они вытеснятся датчиками других типов.
В мембранных датчиках (рис.10.29,б) под действием давления контролируемой среды мембрана, смещаясь, перемещает толкатель, который замыкает контакты, при достижением давлением определенного значения. Эти датчики просты по конструкции, надежны, имеют достаточную точность измерений, что объясняет их широкое применение.
На рис. 10.29, в показан датчик с манометрической трубчатой пружиной. Манометрическая трубчатая пружина представляет собой изогнутую тонкостенную овального сечения трубку, сделанную из упругого материала. При увеличении давления контролируемой среды трубка стремится выпрямиться и приводит в действие стрелку, механически связанную с ней и замыкающую контакты при минимальном или максимальном давлении.
10.10 Датчики угловой скорости
Эти датчики предназначены для контроля угловой скорости (частоты вращения). Из механических датчиков угловой скорости самым широко известным является центробежный, построенный по принципу хорошо известного из курса школьной физики центробежного регулятора. Только в случае центробежного датчика перемещение муфты, к которой прикреплены тяги с шариками, приводит к перемещению ферромагнитного сердечника в катушке и изменению ее индуктивности. Эти датчики имеют большую погрешность и малые пределы контролирования скорости.
Наиболее широко применяются электрические датчики угловой скорости (частоты оборотов). На рис. 10.30 показан один из таких датчиков.
Датчик этого типа (рис.10.30, а) представляет собой изоляционный цилиндр 1, покрытый определенной конфигурации электропроводящим слоем 2. Правый контакт все время скользит по электропроводящей части слоя, а левый замыкает цепь лишь в те моменты, когда над ними оказывается электропроводящая часть (полоска). В этот момент в цепи возникают импульсы тока, которые регистрирует измерительный прибор ИП , показания которого соответствуют угловой скорости (частоте враще- ния).
На рис.10.30, б показана схема время-импульсного датчика, в ко- тором на валу, обороты которого контролируют, помещен магнит 4. При вращении вала магнит проходит под катушкой 3 и наводит в ней импульсы тока, которые регистрируются прибором.
К достоинствам этих датчиков следует отнести отсутствие погрешности при преобразовании угловой скорости в частоту следования импульсов, а также возможность изготовления датчиков на практически любые пределы измерения частоты вращения. При замене контактной части датчика на бесконтактную мы освобождаемся от его простого недостатка - износа контактов.
10.11 Электростатические классификаторы семян
Электрические классификаторы семян непосредственно не относятся к датчикам свойств семян, но используются для разделения семян в зависимости от неоднородности их количественного и качественного состава, а также посевных качеств (энергии прорастания, всхожести и т.д.), рис.10.31.
Семена, очищенные от примесей, по транспортеру попадают в зону электрокоронного разряда, который образуется в пространстве ме- жду проволочными электродами 1 (на них подается отрицательный потенциал) и заземленным электродом 2. Под действием электрических сил семена в поле электрокоронного разряда разделяются на фракции и попадают в соответствующие части бункера.
На рис.10.31,б показан барабанный электростатический класси- фикатор семян. Семена с транспортера попадают на барабан 3, на который намотана двухпроводная изолированная обмотка 4. Эта обмотка подключена к источнику переменного напряжения 500...700 В. Притянутые к обмотке семена под действием сил тяжести и центробежных сил отрываются с нижней части барабана и попадают в соответствующие части бункера 2 в зависимости от их физических характеристик. Щетка 5 удаляет с барабана сор.
<Назад> |