Тема 1.9 Електричні та магнітні елементи автоматики

В зв’язку з переводом ряду пристроїв автоматизації на електронну базу для керування технологічними процесами, управлінням обладнанням при розробці нових систем автоматизації найчастіше вибирають шлях використання мікропроцесорних контролерів. При цьому контролери застосовуються або самостійно, з мінімальною кількістю складових частин (модулів), або в складі багаторівневих мікропроцесорних систем із розвиненими засобами вводу/виводу. Для забезпечення вводу сигналів застосовуються електричні та магнітні елементи автоматики. В першу чергу електричні датчики.

Класифікація електричних датчиків і вимоги до них.

У загальному вигляді датчик Д (рис. 1.74) можна представити у вигляді чутливого елементу ЧЕ і перетворювача Пр. Чутливий елемент в системах автоматики і телемеханіки виконує функції «органів чуття». Він призначений для перетворення контрольованої величини в такий вид сигналу, який зручний для вимірювання. На вхід датчика можуть поступати як електричні, так і неелектричні сигнали. З виходу датчика зазвичай отримують електричні сигнали. Це викликано тим, що електричний сигнал простіше підсилювати і передавати на різні відстані.

Загальними характеристиками датчиків є: статична характеристика; інерційність; динамічна (диференціальна) чутливість; поріг чутливості; похибка; потужність; момент або зусилля, потрібні від джерела вхідного сигналу; вихідна потужність і вихідний опір датчика.

Рисунок. 1.74 - Структура датчика.

Розглянемо деякі із загальних характеристик датчиків.

Статична характеристики показує залежність вихідної величини у від вхідної величини х, тобто у =f(x) (х - контрольований або регульований параметр, що діє на датчик; у - параметр, отриманий після перетворення).

Інерційність характеризується відставанням змін вихідної величини у від змін вхідної величини х. Вона приводить до похибок при вимірюванні вхідної величини х і тому є небажаною.

Динамічна (диференціальна) чутливість датчика S або динамічний коефіцієнт перетворення датчика К_дин показує, в скільки разів приріст вихідної величини (Δy) більше приросту вхідної величини (Δх): бажано, щоб динамічна чутливість датчика S була якомога вищою.

Перераховані характеристики датчиків можуть визначатися як розрахунковим, так н експериментальним шляхом. В даний час найбільшого поширення в автоматиці і телемеханіці набули електричні датчики, які можна розділити на дві великі групи; параметричні і генераторні (або датчики ЕРС).

Параметричні датчики служать для перетворення неелектричного контрольованого або регульованого параметра в параметри електричного ланцюга (R, L, С). Ці датчики отримують електричну енергію від допоміжного джерела енергії. Параметричні датчики діляться на датчики активного опору (контактні, реостатні, потенціометричні, тензодатчики, терморезистори і реактивні опори (індуктивні, ємнісні).

Генераторні датчики призначені для перетворення неелектричного контрольованого або регульованого параметра в ЕРС. Ці датчики не вимагають стороннього джерела енергії, оскільки самі є джерелами ЕРС. Генераторні датчики бувають термоелектричними, п'єзоелектричними і тахометричними.

До параметричних і генераторних датчиків пред'являються наступні загальні вимоги:

· безперервна і лінійна залежність вихідної величини у від вхідної х;

· висока динамічна (диференціальна) чутливість;

· мала інерційність;

· найменший вплив датчика на вимірюваний або регульований параметр;

· надійність в роботі;

· найменша собівартість;

· мінімальні маса і габарити.

При виборі датчика необхідно також враховувати особливості досліджуваного процесу: періодичність і максимальну частоту дій, атмосферні умови (вологість і температуру повітря), наявність вібрацій в установці і т.п.

Параметричні датчики активного опору.

Параметричні датчики активного опору широко застосовуються в автоматиці, телемеханіці і обчислювальній техніці. Нижче будуть розглянуті деякі типи вказаних датчиків.

Контактні датчики. Контактним датчиком називається датчик, в якому механічне переміщення перетвориться в замкнутий або розімкнений стан контактів, що ввімкнені в ланцюг управління. При замиканні контактів активний опір між ними змінюється від нескінченності до невеликого значення, а при розмиканні контактів воно змінюється у зворотному напрямі, тобто від невеликого значення до безкінечності.

На рис. 1.75 зображений простий контактний датчик, контакти якого замикаються або розмикаються при переміщенні щупа, що здійснює контроль

товщини стрічки. Особливістю вимірювання за допомогою контактних датчиків є дискретність вимірювання, оскільки контакти замикаються і розмикаються при певному положенні щупа.

Контакти є найважливішою частиною датчика. Надійність і точність роботи датчика у великій мірі залежать від матеріалу і якості виготовлення контактів. Чим менше потужність, що розривається контактами датчика, тим менше відбувається обгорання контактів і тим вище точність роботи датчика. Матеріал для контактів вибирають, враховуючи умови роботи датчика, а саме: напруга, що подається на контакти, потужність керованого ланцюга, контактний тиск і т.п. Як матеріал для контактів застосовують срібло, вольфрам, золото, платину, сплави платини з іридієм. Контактні датчики широко при автоматичному контролі за лінійними розмірами виробів. Вони дозволяють сигналізувати переміщення з точністю до 1-2 мкм.

Рисунок 1.75 – Контактний датчик:

а – контакти розімкнуті, б – контакти замкнуті

Переваги цих датчиків: простота конструкції і порівняно висока точність до 1-2 мкм, а недоліки - обгорання контактів.

Реостатні і потенціометричні датчики. Реостатні і потенціометри датчики служать для перетворення кутового або лінійного переміщення в електричний сигнал. Реостатний датчик, що є звичайним реостатом, застосовується в автоматиці, телемеханіці і обчислювальній техніці рідко, оскільки має значну нелінійність характеристики.

Ці датчики виконані у вигляді змінного опору, рухомий контакт якого механічно пов'язаний з перетворюваним елементом. Зазвичай вони є дротяним реостатом, повзунок якого переміщається під впливом контрольованого або регульованого параметра.

Конструктивно реостатні і потенціометри датчики складаються з каркаса, намотаною на нього проволокою і повзунка. Каркас датчиків виготовляється з текстоліту, склотекстоліту, пластмаси і алюмінієвих сплавів, покритих ізоляційним лаком або оксидною плівкою. Каркаси можуть виконуватися у вигляді циліндрової або плоскої пластини, а також у вигляді кільця і сегменту. Дріт, який намотується на каркас, повинен мати великий питомий опір і малий температурний коефіцієнт опору. Для обмоток реостатних і потенціометрів датчиків застосовується константанова, манганінова, ніхромова проволока. Для датчиків з малим контактним тиском застосовується дріт із сплавів срібла, платини і золота.

Характеристика реостатних і потенціометрів датчиків є ступінчастою (окрім датчиків реохордного типу), оскільки безперервній зміні контрольованого або регульованого параметра відповідає ступінчаста (дискретне) зміна опору, рівна значенню опору одного витка.

Рис 1.76 - Схема потенціометричного датчика

Ця обставина приводить до похибки вимірювання, яку можна зменшити за рахунок зменшення діаметру проволоки. Зазвичай застосовується дріт невеликого діаметру (до сотих доль міліметра). При створенні датчиків прагнуть до того, щоб були якомога більше витків датчика на одиницю контрольованого або регульованого параметра, що приводить до зменшення ступінчастості характеристики і зменшення похибки вимірювання (як правило, не менше 100-200 витків). Частину повзунка, що контактує з обмоткою, часто виготовляють з срібла або сплаву платини з сріблом. Замість повзунка в датчику може застосовуватися щітка, яка складається з декількох проволок, сполучених паралельно. У техніці частіше застосовується датчик потенціометра, який є реостатом, включеним по схемі дільника напруги (рис. 1.76).

Вихідна напруга датчика потенціометра в режимі холостого ходу, коли навантаження не підключене, визначається по наступній формулі:

,

де I - струм, який протікає по датчику;

R_x- опір вихідної частини датчика;

U – напруга живлення датчика;

R - повний опір датчика.

Припустимо, що намотування датчика виконане рівномірно і опір проволоки на одиницю довжини постійний, тоді можна написати наступний вираз:

,

де х - переміщення повзунка датчика;

l - довжина обмотки датчика.

Підставивши у попередню формулу замість виразу R_x/R вираз х/l, отримаємо:

,

де К= U/l - коефіцієнт передачі.

З формули виходить, що статична характеристика .потенціометричного датчика при роботі його в режимі холостого ходу є лінійною залежністю між вихідною напругою датчика U_вих і переміщенням його повзунка х. Розглянутий датчик є однотактним (нереверсивним), оскільки дає можливість вимірювати переміщення повзунка х тільки одного знаку.

У техніці часто застосовуються датчики потенціометрів, що реагують на знак переміщення повзунка. Такі датчики отримали назву двоконтактних або реверсивних. Для побудови вказаних датчиків необхідно зробити відведення від середньої точки обмотки датчика. На рис. 1.77 приведені схема двотактного датчика потенціометра і його статична характеристика.

В режимі холостого ходу чутливість датчиків потенціометрів має постійне значення і рівна:

У автоматиці, телемеханіці і обчислювальній техніці датчики потенціометрів найчастіше застосовують для вимірювання кута повороту різних механізмів і приладів. У цих датчиках напруга постійного і змінного струму, що знімається із затисків, пропорційно куту повороту повзунка потенціометра. Іноді в техніці застосовують датчики потенціометрів, із затисків яких знімають напругу, що змінюється по синусному або логарифмічному закону залежно від кута повороту повзунка потенціометра. Такі датчики потенціометрів отримали назву функціональних.

Рисунок 1.77 - Двотактний (реверсивний) датчик потенціометра.

а - схема включення; б - статична характеристика в режимі холостого ходу.

До переваг реостатних і потенціометрів датчиків можна віднести: конструктивну простоту, малу масу і невеликі габарити, можливість живлення постійним і змінним струмом, простоту регулювання і високу стабільність.

Основними недоліками реостатних і потенціометрів датчиків є: наявність рухомого контакту, що знижує надійність роботи і термін служби датчика, невисока чутливість, нелінійність характеристики при низькоомному навантаженні і наявність помилки від ступінчастості характеристики.

На закінчення слід зазначити, що значення реактивного опору реостатних і потенціометрів датчиків невелике і його можна не враховувати при роботі на частотах до декількох десятків кілогерц.

Тензодатчики. Тензодатчиком (тензорезистором); називається датчик спеціальної конструкції, призначений для вимірювання статичних або динамічних деформацій в деталях і що перетворює ці деформації в зміну активного опору.

У основу роботи тензодатчиків покладена властивість матеріалів змінювати свій електричний опір під дією сили, прикладеної до них. В даний час широко застосовуються дротяні, фольгові і напівпровідникові тензодатчики.

Дротяні тензодатчики (рис. 1.78, а) конструктивно є відрізком тонкого дроту 1 (діаметром 0,02 - 0,5 мм), яка зигзагоподібно наклеюється на тонку паперову або плівкову основу 2. Зверху дріт також закритий тонким папером або плівкою. Для включення тензодатчика в схему до кінців дроту припаюють два мідних провідники 3. Тензодатчик жорстко закріплюється за допомогою клею на випробовувану деталь 4.

Рисунок 1.78 - Дротяний тензодатчик. а - конструкція; б характеристика.

При розтягуванні або стисненні деталі у напрямі розташування дроту відбувається розтягування або стиснення проволоки, що приводить до зміни довжини l, площі поперечного перетину S і питомого опору матеріалу ρ проволоки. Наприклад, якщо до розтягування електричний опір дроту був рівний R=ρl/s, то при розтягуванні воно стало R+ R. Зазвичай для виготовлення дротяних тензодатчиків застосовують константанову або ніхромову проволоку, що має великий питомий опір ρ і невеликий температурний коефіцієнт опору, тобто опір цього дроту мало залежить від температури.

Основними характеристиками дротяних тензодатчиків є: номінальний опір R, довжина решітки (база) l_б і коефіцієнт тензочутливості К_т. Останній можна визначити по формулі:

,

де Δl -абсолютна зміна довжини проволоки,

Δl/l відносна зміна довжини проволоки;

ΔR/R - відносна зміна опору тензодатчика.

Значення коефіцієнта тензочутливості дротяного тензодатчика зазвичай рівне 1,8-2,5 і у великій мірі залежить від технології виготовлення датчика і матеріалу його дроту. Опір дротяного тензодатчика лежить в межах від 50 до 400 Ом. Номінальний робочий струм, який можна підводити до такого датчика, рівний 30 мА.

Завдяки тому що дротяні тензодатчики мають малі габарити (довжина решітки рівна 15-45 мм; ширина 7-10 мм) і малу масу, вони можуть розміщуватися в самих важкодоступних місцях деталі.

Основними перевагами дротяних тензодатчиків є: майже повна відсутність їх впливу на деформацію деталі; лінійність характеристики (рис. 1.78, б) і низька вартість.

Фольгові тензодатчики є подальшим розвитком дротяних тензодатчиків. У них замість решітки з дроту застосовуються решітка з тонких смужок металевої фольги (завтовшки декілька мікрон), яка наклеюється на плівкову основу. Конструкції грат фольгових тензодатчиків можуть мати різні конфігурації.

Рисунок 1.79 - Деякі конструкції грат фольгових тензодатчиків.

Практично можна виготовити решітки будь-якого рисунка. У техніці частіше застосовуються наступні конструкції решіток: пряма - для вимірювання лінійних деформацій (рис. 1.79, а); розеткова - для вимірювання крутячих моментів на круглих валах (рис. 1.79, б); мембранна - для вимірювання зусиль, що впливають на мембрани (рис. 1.79, в).

Фольговий тензодатчик має велику площу зіткнення з деталлю, чим дротяний, отже, його тепловіддача вища за тепловіддачу останнього. Завдяки цьому можна збільшити значення струму до 0,2 А, що протікає через фольговий тензодатчик. Опір фольгового тензодатчика рівний 50-200 Ом. Значення коефіцієнта тензочутливості К_т як і у фольгових тензодатчиків таке ж, як і дротяних (1,8 - 2,5). Межа вимірювання відносних деформацій рівна 0,3%, температурний діапазон працездатності від -40 до +70° С.

Напівпровідникові тензодатчики застосовуються в техніці порівняно недавно. Вони мають в порівнянні з дротяними і фольговими тензодатчиками ряд переваг: значення коефіцієнта тензочутливості в 60 разів вище; малі розміри (довжина решіток від 3 до 10 мм); велике значення вихідного сигналу.

Основною відмінністю напівпровідникового тензодатчика від дротяного є велика (до 50%) зміна опору датчика при деформації і висока чутливість до температури (у 10-20 разів більше, ніж у дротяних датчиків).

Для виготовлення напівпровідникових тензодатчиків застосовують германій, кремній, арсенід галію і ін. Частіше застосовуються германій і кремній.

Конструктивно напівпровідниковий тензодатчик є пластиною з германію або кремнію, яка наклеєна на папір. Пластина забезпечена металевими виводами, за допомогою яких датчик підключається в схему. Номінальний опір датчика зазвичай рівний 40 - 1000 Ом. Температурний діапазон працездатності датчика складає від -160 до +300°С, лінійність зміни опору зберігається при відносних деформаціях до ±0,1%- Основними недоліками напівпровідникових тензодатчиків є: мала гнучкість, невелика механічна міцність, нестабільність параметрів, великий розкид характеристик однотипних датчиків і нелінійність характеристики.

Терморезистори. Терморезистором називається пристрій, що містить провідник або напівпровідник, електричний опір якого сильно міняється із зміною температури навколишнього середовища. У техніці широко застосовуються терморезистори з теплочутливим елементом у вигляді провідника. Матеріалом для провідника використовують мідь, нікель і платину. Такі терморезистори отримали назву термометрів опору. Останні широко застосовуються в приладах для вимірювання температури повітря, води і масла.

Термометр опору (рис. 1.80) є тонким мідним, нікелевим або платиновим дротом 1, намотаним на слюдяний або керамічний каркас 2, який потім для захисту від механічних пошкоджень поміщають в металевий корпус. При зміні температури навколишнього середовища змінюється опір термометра:

, (2.6)

де R_t- опір термометра при температурі t, Ом;

R₀ - початковий опір термометра при температурі t₀, Ом;

а - температурний коефіцієнт опору, 1/°С ;

t - температура у момент вимірювання °С;

t₀- початкова температура термометра °С.

За допомогою термометрів опору можна вимірювати температуру: мінус 250 до +550°С. Платинові термометри опору можуть також застосовуватися для вимірювання швидкості протікання газу, складу газу і концентрації розчинів. Це можливо тому, що опір провідника залежить не тільки від температури навколишнього середовища і нагріву провідника струмом, що протікає по ньому, але і від швидкості протікання газу, щільності і його складу.

Рисунок 1.80 - Спрощена конструкція термометра опору.

Такий термометр опору виконується у вигляді тонкого платинового дроту діаметром від 0,02 до 0,06 мм і завдовжки від 5 до 50 мм, яка закріплюється кінцями в масивних утримувачах. Термометр опору поміщають в контрольоване середовище, наприклад в газовий потік швидкість якого міняється. Потім дріт нагрівають до температури 150-400°С, пропускаючи через неї струм. Залежно від швидкості газового потоку дріт охолоджуватиметься більш менш інтенсивно, тобто змінюватиметься температура проволоки, що приведе до зміни опору термометра.

За допомогою такого термометра опору, що іменується зазвичай термоанемометром, швидкість газового потоку перетвориться в опір. Основними перевагами термометрів опору є: стабільність, лінійність характеристики і простота виготовлення. Основним недоліком розглянутих термометрів є їх теплова інерційність.

Параметричні датчики реактивного опору. Параметричні датчики реактивного опору живляться від джерела змінного струму. До них відносяться індуктивні і ємнісні датчики.

Індуктивні датчики працюють на принципі зміни індуктивного опору електромагнітного дроселя при переміщенні однієї з рухомих деталей його, зазвичай якоря. Вони широко застосовуються для вимірювання малих кутових і лінійних механічних переміщень, деформацій, контролю розмірів деталей, а також для управління стежачими пристроями.

Індуктивний датчик є електромагнітний дросель із змінним повітряним зазором δ, обмотка 1 якого включена послідовно з опором навантаження Z_Н (рис. 1.81, а).

Магнітопровід 2 і якір 3 зазвичай виконують з магнітно-м'якого матеріалу. При зміні повітряного зазору δ (вхідна величина) міняється індуктивність обмотки дроселя L_ДР, а також опір його обмотки Z_ДР. Індуктивність обмотки дроселя:

,

де w - число витків обмотки дроселя;

S_П - площа перетину повітряного зазору;

μ₀ - магнітна проникність вакууму;

δ -довжина повітряного зазору.

Рисунок 1.81 - Нереверсивний індуктивний датчик із змінним зазором.

а - схема включення; б- статичні характеристики: OA - ідеальна; ВС - реальна.

Повний опір обмотки дроселя:

,

де R_ДР - активний опір обмотки дроселя;

ω - кутова частота джерела змінного струму.

При включенні в ланцюг активно-індуктивного навантаження падіння напруги на навантаженні (вихідна напруга) можна визначити по формулі:

\

,

де R_Н - активний опір навантаження;

L_Н - індуктивний опір навантаження.

Слід зазначити, що при зменшенні довжини зазору δ індуктивність обмотки дроселя Z_ДР збільшується, а це у свою чергу приводить до зменшення падіння напруги на навантаженні U_Н.

На рисунку 1.81, б приведені ідеальна статична характеристика OA і реальна характеристика ВС нереверсивного індуктивного датчика. Реальна статична характеристика індуктивного датчика відрізняється від ідеальної тим, що має деяку нелінійність. Це викликано тим, що при нульовому зазорі індуктивність обмотки дроселя , тому падіння напруги на навантаженні U_Н≠0, а має якесь певне значення (напруга холостого ходу U_xx). При великому зазорі реальна статична характеристика ВС містить ділянку насичення, визначувану напругою насичення U_нac.

До переваг нереверсивного індуктивного датчика слід віднести: високу чутливість, надійність і довговічність, відсутність контактних пристроїв, значну величину вихідної потужності (до сотень вольт-ампер), простоту конструкції і експлуатації.

Основними недоліками розглянутого датчика є: наявність напруги на виході при нульовому повітряному зазорі U_xx; нелінійність реальної статичної характеристики; виникнення великих зусиль між якорем і сердечником дроселя (до декількох кілограмів), які необхідно долати. Від перерахованих недоліків в значній мірі вільні реверсивні датчики, які мають чутливість в 2 рази більшу, ніж нереверсивні датчики.

Індуктивні датчики застосовуються для вхідних переміщень від 0,001 до 1 мм. Для переміщень від 1 мм до 60 мм застосовується датчик соленоїдного типу, що включається по мостовій схемі (рис. 1.82). У цьому датчику зміна індуктивності обмотки L відбувається за рахунок переміщення феромагнітного сердечника 1 у котушці 2.

Рисунок 1.82 - Індуктивний датчик соленоїдного типу.

Генераторні датчики

До генераторних датчиків відносяться термоелектричні, п'єзоелектричні і тахометричні датчики.

До термоелектричних датчиків генераторного типу можна віднести термопари, в яких зміна температури перетвориться в термоелектрорушійну силу (термо-ЕРС) Е. У основу роботи термопари покладено явище термоелектричного ефекту. Це явище полягає в тому, що якщо з'єднати кінці двох різнорідних за матеріалом провідників 1 і 2 (рис. 1.83, а) і місця з'єднань помістити в середовища з різними температурами t₁ і t₂, то в ланцюзі термопари з'являється термо-ЕРС, яка буде тим більше, чим більше різниця температур кінців термопари t₁-t₂.

Кінець термопари, що має температуру t₁, називається робочим кінцем (гарячим спаєм), а кінець термопари, що знаходиться при постійній температурі t₂, називається вільним кінцем (холодним спаєм).

Рисунок 1.83 - Термопари.

а - термоелектричний ланцюг; б - характеристики термопар; в - схема включення термопари: г - послідовне включення термопар.

Провідники 1 і 2, за допомогою яких утворюється термопара, називаються термоелектродами. Термоелектроди зазвичай виготовляються з чистих металів (платина, золото, нікель, мідь, залізо, вольфрам, молібден), сплавів (константан, ніхром, платинородій, чавун, алюмель, копель, хромель) і напівпровідникових матеріалів (вугілля, карборунд). Термоелектроди бувають термопозитивними і термонегативними. Термопозитивний електрод - це такий термоелектрод, на якому при з'єднанні його з хімічно чистою платиною при t₁ > t₂ утворюється позитивний потенціал по відношенню до платини. Термонегативний електрод - це термоелектрод, на якому за тих же умов утворюється негативний потенціал по відношенню до платини. Наприклад, при з'єднанні заліза з платиною при температурі робочого кінця t₁ = 100°С і вільного кінця t₂=0°С заліза має по відношенню до платини позитивний потенціал, рівний Е_з.п= + 1,75 мВ. При з'єднанні копеля з платиною при t₁ = 100°C і t₂=0°С на копелі утворюється по відношенню до платини негативний потенціал Е_п.к - =-4,0 мВ.

Для підвищення термо-ЕРС беруть і сполучають позитивні і негативні термоелектроди. Так, при з'єднанні заліза і копеля при t₁=100°C і t₂=0°С потенціалу заліза по відношенню до копелю визначається по формулі:

Е_з.к= Е_з.п- Е_к.п=+1,75-(-4,0)=+5,75 мВ

Термоелектроди термопари сполучають між собою паянням або зварюванням.

Якщо термопару використовують як датчик, то її спочатку градуюють, тобто визначають залежність термо-ЕРС від температури робочого кінця при температурі вільного кінця t₂=0°С (температура танення льоду).

Припустимо, що при вимірюванні температура t₂ не рівна температурі, при якій відбувалося градуювання термопари, тоді дійсне значення термо-ЕРС Е_ДІЙС необхідно визначати з урахуванням поправки на температуру вільного кінця:

Е_ДІЙС=Е_ЗМ+Е₂,

де Е_ЗМ- зміряна термо-ЕРС при t₂≠0°С;

Е₂ - поправка на температуру вільного кінця.

При точному визначенні температури по величині термо-ЕРС необхідно користуватися стандартними градуювальними таблицями. У табл. 1.1 приведені характеристики деяких термопар при температурі вільних кінців 0°С.

На рис. 1.83, б приведені характеристики трьох термопар, які є майже лінійною залежністю термо-ЕРС від температури робочого кінця.

Слід зазначити, що будь-яка термопара має наступні основні властивості:

· якщо не змінювати температуру робочого t₁ і вільного t₂ кінців, то абсолютне значення термо-ЕРС залишається постійним при нагріванні будь-якої точки провідника термопари;

· значення термо-ЕРС не зміниться, якщо в розрив термопари включити третій провідник, обидва кінці якого мають однакову температуру.

Термопара 1 може включатися як безпосередньо в ланцюг вимірювального приладу 2 (рис. 1.83, в), так і по компенсаційній схемі. Принцип компенсації заснований на урівноваженні термо-ЕРС термопари рівною і протилежною по знаку напругою.

Таблиця 1.І - Характеристики термопар

Примітка. У найменуванні термопар першим вказаний позитивний термоелектрод.

Основними перевагами металевих термопар є: простота і дешевизна, велика різноманітність конструктивних форм виконання.

До недоліків металевих термопар можна віднести:

· наявність паразитних термо-ЕРС (за рахунок домішок в металах);

· теплову інерційність (постійна часу термопар коливається від декількох хвилин до десятих доль секунди).

В даний час промисловістю випускаються термопари, виготовлені з напівпровідникового матеріалу, які мають термо-ЕРС, рівну 1 мВ/⁰С, тобто в десятки разів більшу, ніж металеві термопари. Основними недоліками напівпровідникових термопар є: порівняно невеликий діапазон вимірювання температур (от +200 до +400°С); мала міцність.

Термопари як металеві, так і напівпровідникові виконуються різних розмірів і конфігурацій. Термопари великих розмірів, як правило, встановлюються в промислових печах, а мініатюрні термопари - у вакуумі. Для тривалого вимірювання високих температур (біля 2000°С) застосовуються вольфрамо-іридієві н вольфрамо-молібденові термопари.

У автоматиці для вимірювання температур зазвичай використовують не одиночні термопари, а декілька термопар (рис. 1.83, г), сполучених послідовно. Таке з'єднання термопар дозволяє підвищити значення термо-ЕРС і вихідну потужність термоелектричного датчика.

Тахометричні датчики. До тахометричних датчиків можна віднести тахогенератори, які є малопотужними електричними машинами, що перетворюють механічне обертання в електричний сигнал. Тахогенератори призначені для отримання напруги, пропорціональній частоті обертання, і застосовуються як електричні датчики кутової швидкості. У залежно від виду вихідної напруги і конструкції вони діляться на тахогенератори постійного і змінного струму.

Тахогенератори постійного струму конструктивно є електрогенераторами постійного струму і виконуються із збудженням від постійних магнітів або електромагнітів. На рис. 1.84, а приведена схема тахогенератора постійного струму із збудженням від постійних магнітів.

Рисунок 1.84 - Тахогенераторі постійного струму

а - схема тахогенератора із збудженням від постійних магнітів; б - вихідні характеристики; в - схема тахогенератора з незалежним електромагнітним збудженням.

При обертанні якоря тахогенератора з частотою п з його щіток знімається ЕРС, значення якої визначається по формулі:

де - коефіцієнт, залежний від конструкції і схеми якоря (р - число пар полюсів; w - число витків обмотки якоря; 2а --число паралельних гілок обмотки якоря); Ф - магнітний потік.

Для даного типу тахогенератора магнітний потік Ф є величиною постійною, оскільки він створюється постійними магнітами. Тому ЕРС залежить тільки від частоти обертання якоря тахогенератора п. Вихідні характеристики розглянутого тахогенератора для різних значень навантажень R_H приведені на рис. 1.84, б. З цього рисунка виходить, що із збільшенням частоти обертання тахогенератора до певного моменту його вихідна напруга U_ВИХ росте пропорційно і лише при великій частоті лінійність характеристики порушується, причому чим більше опір навантаження R_H, тим більше крутизна характеристики і тим більше її лінійність.

В автоматиці застосовуються також тахогенератори постійного струму з незалежним електромагнітним збудженням. У таких тахогенераторах магнітний потік збудження Ф_в створюється спеціальною обмоткою збудження ОВ

(рис. 1.84, в), яка розташовується на полюсах статора. В цьому випадку магнітний потік рівний:

,

де k_ф - коефіцієнт пропорційності;

I_в- струм в обмотці збудження.

Для тахогенераторів з незалежним електромагнітним збудженням ЕРС можна знайти замість Ф подставити Ф_в:

Конструкції тахогенераторів із збудженням від постійних магнітів простіше, ніж конструкції тахогенераторів з незалежним електромагнітним збудженням, тому що відсутнє додаткове джерело живлення.

Головна вимога, що пред'являється до тахогенераторів, - це точність перетворення механічного обертання в електричну напругу.

Основним недоліком тахогенераторів постійного струму є наявність колектора і щіток, що мають нестабільний перехідний контактний опір. Це приводить до деякої нестабільності вихідної напруги тахогенераторів і до появи зони нечутливості при частотах обертання якоря, близьких до нуля.

В даний час наша промисловість випускає тахогенератори постійного струму із збудженням від постійних магнітів марок ТГП-1А, ТГП-3, ТГП-ЗА і. з незалежним електромагнітним збудженням марок ТГ-1, ТГ-2, ТД-101, ТД-102 і ТД-103. Тахогенератори перемінного струму можна розділити на два види: синхронні і асинхронні. Основними перевагами тахогенераторів змінного струму в порівнянні з тахогенераторами постійного струму є: відсутність колектора і щіток; синусоїдальна форма вихідний ЕРС; велика надійність; стабільність характеристик.

Синхронний тахогенератор (рис 1.85) на практиці застосовується рідко, тому що має два основні недоліки:

· при зміні частоти обертання ротора частота напруги змінюється, що утрудняє використання його в звичайних схемах змінного струму;

· фаза U_BИХ не залежить від напряму обертання ротора, тобто він нечутливий до зміни напряму обертання.

Головний недостаток асинхронного тахогенератора – зміна вихідної ЕРС при зміні температури. Це пояснюється тим, що при роботі тахогенератора відбувається нагрів ротора, в результаті чого міняється опір обмотки ротора, який в багато разів перевищує опір обмотки статора.

Рисунок 1.85 - Синхронний тахогенератор.

а - спрощена конструкція; б- схема включення (1 - обмотка статора, 2 - ротор);

Підсилювачі і стабілізатори

У автоматиці вихідний сигнал датчика використовується для приведення в дію виконуючого пристрою автоматичної системи. Проте потужність вихідного сигналу датчика недостатня, тому її необхідно підсилювати. Це здійснюється в зусиллях за рахунок енергії допоміжного джерела. Залежно від виду допоміжного джерела енергії підсилювачі можуть розбити на наступні групи:

- електричні

- гідравлічні

- пневматичні

- комбіновані

Бувають підсилювачі однокаскадні і багатокаскадні, із зворотними зв'язками і без зворотних зв'язків.

Найчастіше застосовуються електричні, які підрозділяються на дві групи:

підсилювачі, що не містять рухомих частин і підсилювачі, що містять рухомі частини.

До основних характеристик підсилювачів відносяться:

- коефіцієнт підсилення;

- потужність, споживана від допоміжного джерела енергії;

- вихідна потужність;

- ККД;

- швидкодія (значення постійної часу);

- вхідні і вихідні опори підсилювача;

- власні шуми підсилювача (поява вихідної величини при величині вхідної

рівній нулю).

Коефіцієнт підсилення, наприклад, для електричних підсилювачів показує, в скільки разів потужність або струм або напруга на виході підсилювача більша, ніж на його вході.

Розрізняють коефіцієнт підсилювача по потужності К_Р; по струму К_I ; по напрузі К_U:

; , . (2.13)

Принцип дії і основні співвідношення магнітного підсилювача

Принцип д