Опис принципів дії основних датчиків і реле

7.2.2.1. Датчики і реле переміщення

Потенціометричний датчик складається з джерела еталонної напруги і змінного електричного опору (потенціометра), величина якого залежить від положення рухомого контакту. Потенціометричні датчики призначені для перетворення лінійних і кутових переміщень в електричний сигнал, а також для відтворення найпростіших функціональних залежностей у системах автоматичного керування.

Принцип дії потенціометричного датчика пояснює рис. 7.3. До затискачів потенціометра прикладається еталонна напруга . При переміщенні движка потенціометра вихідна напруга змінюється пропорційно вхідному параметру – переміщенню X.

 

Рис. 7.3. Рис. 7.4.

 

Для режиму холостого ходу статична характеристика буде лінійна, тому що справедливо співвідношення

 

, (7.2)

 

де - повний опір потенціометра; - опір частини потенціометра, що приходить на величину переміщення движка .

З огляду на те, що , де - повна довжина ходу рухомого контакту, одержимо:

 

, (7.3)

 

де - коефіцієнт передачі потенціометричного датчика.

При наявності навантажувального опору характеристика потенціометричного датчика стає нелінійної, що видно з наступного вираження:

 

, (7.4)

 

де .

Якщо є вхідним опором напівпровідникового підсилювача, то з достатнім ступенем точності можна вважати . У цьому випадку вираз (7.4) здобуває вид (7.2).

Статична характеристика потенціометричного датчика представлена на рис. 7.4.

Для потенціометричного датчика кутового переміщення вирази (7.2) – (7.4) також справедливі, однак замість лінійного переміщення в них використовується кут повороту .

 

7.2.2.2 Датчики сили і моменту

Вимір сил і моментів здійснюється, звичайно, непрямим шляхом по величині деформацій тіл, на які впливають ці сили і моменти. Найбільше поширення одержали тензометричні датчики, чутливим елементом яких є тензометричний резистор, який представляє собою компактно укладений у вигляді петель тонкий дріт діаметром 0,002-0,05 мм із матеріалу з високим електричним опором. Ряди цього дроту обклеюються тонкою плівкою по обидва боки. Самі тензометричні резистори наклеюються на деталь, механічна деформація якої підлягає виміру.

Включення тензометричних резисторів датчика сили доцільно виконувати за мостовою схемою (рис. 7.5). При розтяганні (або стисканні) деталі Д під дією сили аналогічну деформацію перетерплює і дріт тензометричного резистору, що викликає зміну його електричного опору на величину . Розбаланс мосту фіксується амперметром РА.

 

Рис.7.5

Рис.7.6

 

Для компенсації температурної погрішності тензометричного датчика доцільно в інше плече мосту включити, як це показано на рис. 7.5, ідентичний тензометричний опір, величина якого залишається незмінною за рахунок кріплення його на ділянці Д', не підданої деформації.

Спосіб наклейки і схема підключення тензометричних опорів датчика обертаючого моменту, нечутливого до впливу згинальних моментів, показані, відповідно, на рис. 7.6.

 

7.2.2.3 Датчики і реле температури

Для реалізації датчиків температури широко використовується властивість провідників і напівпровідників змінювати свій опір залежно від температури. Зв'язок опору з температурою визначається наступною залежністю:

 

, (7.5)

 

де - опір при температурі ; - температурний коефіцієнт опору.

Для міді , для нікелю . Більшим температурним коефіцієнтом володіють напівпровідникові терморезистори – термістори. Для них .

Датчики, що використовують термо-ЕРС, складаються з термопари або декількох термопар, з'єднаних послідовно. В якості матеріалу термопар використовують дорогоцінні і неблагородні метали і їхні сплави. Особливістю більшості термопар є нелінійна залежність термо-ЕРС від температури, що обмежує їхнє застосування в датчиках автоматичних пристроїв.

Термореле і датчики із проміжними перетвореннями, що використовують лінійне розширення, можуть працювати як під впливом тепла, переданого шляхом теплообміну, так і під впливом тепла, виділюваного струмом, що проходить через сприймаючу систему.

Чутливий елемент таких реле і датчиків виготовляється з матеріалів (найчастіше металів і їхніх сплавів) з різними коефіцієнтами лінійного розширення. При зміні температури окремі частини чутливого елемента подовжуються по-різному, що приводить до спрацьовування контактів.

В якості матеріалів з великим коефіцієнтом лінійного розширення можливо також використання рідини і газу. Прикладом може служити контактний термометр, у якому рухливим контактом є сам ртутний стовпчик.

Різновидом реле і датчиків температури, що використовують лінійне розширення тіл, є біметалічні реле і датчики, чутливим елементом яких є пластина або спіраль із біметалу. Один кінець пластини або спирали закріплюється нерухомо, а інший пов'язаний з виконавчим органом або, у випадку реле, з контактами.

 

7.2.2.4 Індуктивні датчики і реле

В основу роботи датчиків і реле даної групи покладена властивість дроселя або трансформатора з повітряним зазором змінювати свою індуктивність при зміні величини повітряного зазору.

На рис. 7.7 представлена спрощена схема безконтактного датчика переміщення. Величина індуктивності дроселя при ненасиченому магнітопроводі визначається наступним виразом:

 

, (7.6)

 

де - абсолютна магнітна проникність вакууму;

- число витків обмотки;

- площа перетину полюса;

- величина повітряного зазору.

З виразу (7.6) видно, що зміна величини повітряного зазору приводить до зміни індуктивності дроселя і струму навантаження.

Рис. 7.7

 

Принцип дії безконтактного кінцевого вимикача пояснюється схемою рис. 7.8. Чутливим елементом тут є імпульсний трансформатор з повітряним зазором, магнітна система якого складається із двох сердечників. На одному із цих сердечників розташована обмотка коливального контуру генератора і обмотка позитивного зворотного зв'язку , на іншому – обмотка негативного зворотного зв'язку .

При відсутності екрана в зазорі забезпечується сильний вплив негативного зворотного зв'язку і генератор перебуває в незбудженому стані. Введення екрана в зазор приводить до зниження впливу негативного зворотного зв'язку, збудженню генератора і появі напруги на виході безконтактного кінцевого вимикача.

 

7.2.2.5 Магнітокеровані реле (геркони)

 

Магнітокеровані герметизовані реле (геркони) являють собою герметичну скляну капсулу 1 (рис. 7.9), заповнену інертним газом, у яку впаяні пружні струмоведучі пластини 2,3 з магнітом якого матеріалу.

 

Рис. 7.9

 

Магнітний потік , створений постійним магнітом 4 або електромагнітом, проходить по пластинах 2 і 3 і створює електромагнітну силу притягання в зазорі між кінцями пластин. Після припинення дії магнітного поля пластини повертаються у вихідний стан.

Достоїнством герконів є стабільність контактного опору, величина якого лежить у межах 0,03-0,2 Ом, а також висока зносостійкість, що досягає сотень мільйонів спрацьовувань. Завдяки відсутності масивних елементів геркони є відносно швидкодіючим пристроями. Час спрацьовування герконів лежить у межах 0,5-2 мс.