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

// BL

- и +