Лекции по автоматике

Подождите немного. Документ загружается.

Фольговые тензодатчики изготавливаются из фольги шириной 4 – 12 мм,

вырезанной из константана, нихрома или золото – серебряных сплавов.

Достоинства:

- высокая чувствительность;

- высокая точность;

- хороший механический контакт;

- возможность пропустить большой ток.

Полупроводниковые тензометрические датчики изготавливаются из германия,

кремния, галия и т.п. В этих датчиках при изменении сопротивления изменяется их

удельная проводимость.

Достоинства:

- высокая чувствительность;

- большая мощность выходного сигнала.

Недостатки:

- большой разброс параметров (трудно сделать датчики с одинаковыми

параметрами);

- хрупкие.

Все тензометрические датчики помещены в специальные пакеты, чаще из бумаги

и во время опыта приклеиваются на испытуемый образец.

Такие датчики обладают одним общим недостатком - одноразовые, т.к. после

растяжения или сжатия не возвращают прежние характеристики.

Применение:

- для контроля за деформациями и напряжениями при статических и

динамических нагрузках;

- для измерения крутящих и изгибающих моментов, возникающих на

поверхности механизмов при их механической нагрузке.

Датчики давления (с. 5, рис.11, 13)

Гидро- и пневмодатчики (рис.11)

а) при увеличении давления Р мембрана прогибается и перемещает щетку

потенциометра.

б) при увеличении давления Р сильфон раздувается и перемещает щетку

потенциометра.

в) при увеличении давления сильфон сжимается и перемещает движок

потенциометра.

Пьезоэлектрический датчик состоит из кварцевой пластины (1) и электродов (2).

При увеличении силы сжатия Р на кварцевые пластины на электродах появляется

электрический заряд, который может быть измерен прибором.

Фотоэлектрические датчики (с.3, рис. 25)

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов)

основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т.е. они реагируют на

изменение светового потока.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием

светового потока, различают следующие фотоэлементы: с внешним фотоэффектом;

с внутренним фотоэффектом, с запирающим слоем.

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 25 а, с.3) представляет собой

вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 имеет светочувствительный слой

(цезий или сплав сурьмы с цезием), анод 2 выполнен в виде кольца или пластины.

Под действием световой энергии с поверхности катода выбиваются электроны.

Внутри лампа заполнена газом - аргоном, который ионизируется под ударами

летящих электронов и увеличивает за счет своих ионов величину протекающего

через лампу тока.

Достоинства:

1) высокая чувствительность;

2) высокая температурная стабильность;

3) линейная зависимость фототока от интенсивности светового потока.

Недостатки:

1) повышенное напряжение питания;

2) хрупкость стеклянного баллона;

3) старение (уменьшение чувствительности при очень сильной освещенности)

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы). Представлен

на рис. 25 б с.3. Представляет собой стеклянную пластину с нанесенным на нее

полупроводниковым слоем (селен, талий висмут, кадмий или свинец). К этому слою

(1) прикреплены электроды (2). При появлении освещения на пластине, через

фоторезистор начинает протекать электрический ток, значение которого

пропорционально интенсивности освещения.

Достоинства:

1) высокая чувствительность ;

2) не требуется вспомогательного источника тока;

3) удобная форма;

Недостатки:

1) влияние окружающей температуры

2) большая инерционность;

3) старение.

Вентильные преобразователи (рис. 25 в, с.3). Под действием светового потока

свободные электроны изменяют свою энергию, но остаются в веществе.

Изготавливают селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновые фотоэлементы состоят из четырех слоев: первый слой представляет

собой тонкую пластину золота, второй слой – запирающий, третий слой селеновый,

4 слой – стальная пластина. Второй слой, обладая детекторным свойством,

пропускает электроны, выделившиеся из первого слоя, и препятствуют

прохождению электронов в противоположную сторону. Таким образом, электроны

из освещенного слоя переходят в неосвещенный, что создает разность потенциалов

вых

Датчики углового положения и перемещения – сельсины

Сельсины представляют собой индукционные электрические машины, которые

предназначены для передачи на расстояние угловых перемещений двух или

нескольких валов, механически не связанных друг с другом.

Обычно сельсины работают в паре. Сельсин, связанный с ведомым валом

называется сельсином – датчиком (СД), а сельсин, связанный с ведомым валом –

сельсином – приемником (СП).

Каждый сельсин состоит из двух обмоток. Однофазная обмотка (ОВ)

расположена на статоре, а трехфазная обмотка уложена в пазы ротора и соединена в

звезду.

Различают два режима работы сельсинов.

Индикаторный режим (рис16 с.5)

Применяется для дистанционной передачи угловых перемещений на расстояние.

Однофазные обмотки СД и СП подключены к источнику питания, а трехфазные

обмотки соединены друг с другом. При подаче напряжения в ОВ по трехфазным

обмоткам потечет переменный электрический ток, который создает в них

пульсирующий магнитный поток Ф, индуцирующий в обмотках роторов СД и СП

эдс Е. Если соответствующие обмотки роторов СД и СП расположены одинаково, то

СД и Е

СП направлены встречно и токи в проводах роторов

отсутствует.

Если ведущий вал, а вместе с ним и ротор СД повернуть на некоторый угол, то

направление эдс в обмотках ротора СД изменится. В результате по проводам между

СД и СП потечет электрический ток. При взаимодействии тока ротора с полем

статора в СП создается вращающий момент, который поворачивает ротор СП до тех

пор, пока не установиться равновесие.

В результате, ротор СП (а значит, и ведомый вал) поворачивается на тот же угол,

что и ротор СД (а значит, ведущий вал).

Трансформаторный режим (рис.15 с.5)

Обмотка возбуждения (ОВ) подключается к напряжению питания U

пит.

Только у

СД, а к обмотке ОВ сельсина – приемника подключен прибор или индикатор.

Под действием электрического тока в ОВ, в обмотках ротора СД наводятся эдс,

которые вызывают токи в обмотках ротора СП и суммарный магнитный поток Ф.

Если ось статорной обмотки СП перпендикулярна этому магнитному потоку Ф, то

потокосцепление между обмотками сельсина – приемника (статора и ротора)

отсутствует и напряжения на выходе ОВ СП нет. Прибор, подключенный к этой

обмотке покажет нуль.

При повороте ротора СД изменяется направление эдс и токов, что приводит к

изменению направления магнитного потока Ф. При этом возникает потокосцепление

между обмотками ротора и статора СП и на выходе статорной обмотки СП

появляется U

вых

(стрелка прибора отклонится на угол, пропорциональный углу

поворота ротора СД).

Вращающиеся трансформаторы (рис.17 с.5)

На статоре и роторе вращающегося трансформатора (ВТ) размещены по две

обмотки, магнитные оси которых перпендикулярны. Ротор ВТ может поворачиваться

на некоторый угол, произвольный по отношению к статору.

Принцип действия ВТ основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции

между обмотками статора и ротора при повороте ротора.

В зависимости от схемы включения ВТ работают в двух режимах.

Амплитудный режим

На одну из обмоток (статорную или роторную) подается постоянное по

амплитуде напряжение U

возбуждения.

При этом возникает пульсирующий магнитный

поток Ф, ось которого совпадает с осью обмотки, находящейся под напряжением

возбуждения. Этот поток индуцирует в другой обмотке статора или ротора эдс Е

пропорциональные синусу или косинусу угла поворота.

= Е

1макс

* sin α; Е

= Е

2макс

* cosα

где Е

и Е

– действующие значения эдс во вторичных обмотках;

1макс

2макс

– максимальное значение эдс во вторичных обмотках (при совпадении

оси обмотки возбуждения с осью вторичной обмотки).

Режим фазовращателя

Статорная обмотка включается в систему двух питающих напряжений со сдвигом

фаз 90

= U

max

* sin ωt U

= U

max

* cos ωt

Благодаря этому создается круговое вращающееся магнитное поле, которое

перемещается в пространстве с угловой частотой w. При этом в роторных обмотках

индуцируется эдс, имеющие такую же частоту, но сдвинутые по фазе относительно

питающего напряжения на угол, который зависит от угла поворота ротора.

= U

max

* sin(ωt +φ) U

= U

max

* cos(ωt+φ)

Таким образом, в режиме фазовращателя ВТ является датчиком, преобразующим

угол поворота в фазовый угол синусоидального напряжения.

Датчики скорости (тахогенераторы)

Служат для измерения частоты вращения. Могут работать на постоянном и

переменном токе.

Тахогенератор постоянного тока – это малогабаритная электрическая машина

постоянного тока, у которой напряжение на зажимах якоря пропорционально частоте

вращения вала якоря.

Е =U

= К

Фω

где Е – эдс, индуцируемая в обмотке якоря;

Ф – поток возбуждения;

– конструктивный коэффициент.

Учитывая, что поток возбуждения постоянная величина, можно записать:

= Кт

где Кт

= К

* Ф

Тахогенераторы переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Асинхронный тахогенератор

Имеет две обмотки – обмотку возбуждения (ОВ) и выходную обмотку. При

вращении ротора в выходной обмотке наводится эдс, пропорциональная частоте

вращения, т.е.

Е = Кт

* U

*ω

где Кт

– конструктивный коэффициент;

– напряжение обмотки возбуждения;

ω– частота вращения ротора

Тема 1. 5. Переключающие устройства и распределители

К переключающим устройствам автоматики относятся:

- реле;

- контактные и бесконтактные устройства управления.

Реле – это коммутационное устройство, которое при воздействии каких – либо

внешних факторов скачкообразно изменяет свое состояние.

По назначению реле бывают:

- управления (управляют электродвигателями, электромагнитными

тормозами и т.п.);

- защиты (для включения и отключения аппаратов защиты, в схемах

релейной защиты и т.п.)

- автоматики;

По характеру входной величины реле делятся на:

- электрические;

- оптические;

- тепловые;

- механические;

- акустические и т.п

Электрические реле служат для включения и отключения электрических цепей,

размножения контактов, блокировки, памяти и т.д.

Электрические реле различают

по принципу действия

- электромагнитные;

- магнитоэлектрические;

- электронные;

- статические;

- электротепловые.

по способу коммутации:

- контактные;

- бесконтактные

Рассмотрим некоторые из реле.

1) электрические реле, их устройство, принцип действия и назначение

рассматриваются в дисциплине «Электрические аппараты»

2) реле на магнитоуправляемых контактах –герконовые реле

3) реле на шаговых искателях;

4) электронные и электродвигательные реле времени;

Герконовые реле (рис. 21 с.3)

Геркон представляет собой стеклянный баллон (1),с вакуумом или азотом

(аргоном) внутри, в который впаяны контактные пластины (3) из магнитомягкого

материала.

Герконовое реле состоит из геркона который размещается внутри

электромагнита (2) или в поле постоянного магнита. При подаче тока в обмотку

электромагнита возникает магнитный поток, который намагничивает контактные

пружины (3). Между ними возникает электромагнитная сила и контакты

замыкаются.

Достоинства:

- повышенная надежность;

- большее быстродействие;

- малая зона нечувствительности.

Недостатки:

- небольшая мощность;

- влияние внешних полей, вызывающее ложное срабатывание.

Применение:

- термоэлектрические реле (рис.22 с.3) – биметаллический контакт (1),

нагреваясь, изменяет положение постоянного магнита (2), приближая его к

геркону;

- реле давления (рис. 24 с.3) – сильфон, а вместе с ним и постоянный магнит,

приближается к геркону;

- реле скорости (рис. 23 с. 3) – вращающийся диск из ферромагнитного

материала с прорезями располагается между постоянным магнитом (1) и

герконом (2). Контакты геркона срабатывают, когда прорезь диска

оказывается между герконом и магнитом;

- клавиатура в микропроцессорной технике (устаревшее).

Реле на шаговых искателях

Шаговый искатель (рис. 33 с. 4) – электромагнитный импульсный

переключатель, предназначенный для поочередной коммутации большого числа

цепей.

При подаче управляющего сигнала (импульса) на обмотку катушки (8), якорь (6)

притягивается к магнитопроводу и собачка (5) толкает зуб храпового колеса (4),

жестко соединенного с ротором, на котором установлены щетки (3). Ротор

поворачивается и переводит щетки по неподвижным контактам, переключая цепи.

После снятия управляющего сигнала (импульса), пружина (7) возвращает якорь в

исходное положение.

Реле счета импульсов (рис. 38 с.6) Служит для создания сигнала на выходе

схемы через заданное число импульсов, поступающих на вход этой схемы.

С помощью переключателя SA1 вручную задается число импульсов, через

которое должен появиться сигнал на выходе. При подаче входного импульса на

контакт SQ1, этот SQ1 замыкается и возбуждает катушку шагового искателя ШИ.

ШИ переключается на один зуб, а значит на один неподвижный контакт. Если номер

этого контакта не совпадает с номером установленного вручную контакта SA1, то в

схеме ничего не происходит. Следующий сигнал, поданный на SQ1 переключает

ШИ на следующий контакт и т.д. После заданного числа команд (импульсов), номера

контактов SA1 и SQ1совпадают и контакт ШИ замкнет цепь катушки реле К1. На

выходе схемы (контакты реле К1) появится сигнал.

Реле времени

Реле времени – устройство, предназначенное для получения заданной выдержки

времени при включении или выключении цепей управления.

Для получения сравнительно небольшой выдержки времени применяют схемы

замедления с использованием реактивных элементов (конденсаторов, диодов,

транзисторов)

Для создания больших выдержках времени применяют электромагнитные,

электронные, электродвигательные и другие реле.

Электронные реле времени (рис. 39а, с.6). При замыкании К1.1 (одновременно

срабатывают К1.2 и К1.3 (сигнал на входе), на базу транзистора VT1 и катушку реле

К2 подается напряжение. Так как в начальный момент времени конденсатор С1 не

заряжен, на базу VT1 подается положительный потенциал через R1 – R2. Транзистор

закрыт и катушка реле К2 не возбуждается. После заряда конденсатора С1 через

цепочку С1 – R2 – К1.2, на базе VT1 появляется отрицательный заряд и транзистор

открывается, вызвав срабатывание реле К2. Выходной сигнал снимается с контактов

К2.1 и К2.2.

Время выдержки сигнала зависит от емкости конденсатора и величины

сопротивления R2 Т

= С1 *R2

Электродвигательное реле времени (рис.39б, с.6). При подаче сигнала на вход

(включение электродвигателя М), барабан Б начинает вращаться, кулачки а, б, в, и г

воздействуют на контакты к1, к2, к3 и к4, вызывая их срабатывание и подключение

соответствующих цепей. Выдержка времени подключения цепи зависит от диаметра

барабана и места установки кулачков на барабане.

= Т

*α /360

где Т

– период врещения барабана;

α – угол наклона (установки) кулачков относительно начала отсчета.

Меняя угловое положение кулачков, можно установить время и очередность

срабатывания контактов.

Контактные и бесконтактные устройства управления

Для коммутации силовых цепей и цепей управления (включения, выключения и

переключения) применяют различные контактные (электромеханические) и

бесконтактные аппараты. Они могут быть ручными и автоматическими.

Контактные устройства управления (реле, кнопки, контакторы) обладают

следующими недостатками:

- при частом переключении их подвижные контакты недолговечны;

- большое время срабатывания;

- контакты требуют частых профилактических осмотров, регулировок и

замены.

Устройство, принцип действия и применение контактных устройств управления

подробно рассматриваются в дисциплине «Электрические аппараты».

Все эти недостатки ликвидированы в бесконтактных устройствах управления

Бесконтактный путевой переключатель БВК (рис. 62, с. 9) БВК представляет

собой электрическую схему, заключенную в герметичный капроновый корпус.

Корпус имеет вырез определенной формы для помещения в него какого - либо

предмета. Из – за этой особенности такой переключатель иногда называют щелевой

индуктивный датчик.

Назначения переключателя типа БВК: 1) определение материала изделия,

помещенного в зазор переключателя; 2) определение количества изделий,

прошедших сквозь переключатель.

Электрическая схема переключателя состоит из двух ферритовых сердечника.

На одном сердечнике расположены две обмотки: контурная обмотка W

и обмотка

положительной обратной связи W

пс

; на другом сердечнике расположена обмотка

отрицательной обратной связи W

ос

. Такое расположение магнитопровода исключает

влияние посторонних магнитных полей. Обмотки W

пс

и W

ос

включены в схеме

последовательно и навстречу друг другу. Значение коэффициента обратной связи

таково, что колебания в контуре W

– С3 не возникают. При введении в зазор любого

металлического предмета связь между W

ос

ослабевает и возникает генерация

сигнала. В контуре W

– С3 появляется переменный ток, который индуцирует эдс в

обмотке W

пс

. В цепи базы транзистора VT1 происходит детектирование переменной

составляющей тока базы транзистора, он открывается, вызывая срабатывание реле

К1.

Для стабилизации работы транзистора VT1 при колебаниях температуры и

напряжения служит нелинейный делитель напряжения, который состоит из

резистора R1, терморезистора R2 и диода VD2.

Схемы управления нереверсивным электроприводом (рис.63а и 63в, с.9)

Электродвигатель включается в работу контактами магнитного пускателя КМ,

расположенными в силовой сети электродвигателя (рис. 63в, с. 9). Катушка

магнитного пускателя КМ находится в цепи управления (рис. 63а, с.9). При нажатии

кнопки SB цепь управления замыкается и возбуждает катушку КМ. Его контакты

замыкаются и включают электродвигатель. Вторые контакты, находящиеся в цепи

управления, тоже замыкаются, шунтируя пусковую кнопку SB, что дает возможность

отпустить ее.

Принципиальная схема путевого бесконтактного управления реверсивным

электродвигателем (рис.65, с.9)

Электродвигатель (на схеме не показан) включается в одну сторону магнитным

пускателем КМ1, в другую – магнитным пускателем КМ2. При достижении путевых

выключателей (датчиков) (ВК1 и ВК2 соответственно) двигатель должен

отключиться. Пуск двигателя осуществляется кнопками SB1 и SB2 соответственно.

Останов двигателя выполняется кнопкой SB3. Реле КК защищает двигатель от

перегрузок.

Рассмотрим работу схемы при вращении двигателя, например, вправо. При

нажатии кнопки SB1 сигнал поступает на вход 2 элемента Э1 (логическая схема

«ИЛИ»). Так как на входе 1 этого элемента сигнала нет, на выходе Э1 появляется

сигнал, который поступает на вход 1 элемента Э3 (логическая схема «И-НЕ»). Так

как на входе 2 сигнала нет, то на выходе схемы Э3 появляется сигнал, который

поступает на вход 2 элемента Э5 «И». Так как на входах 1 и 3 сигналы тоже

присутствуют, то на выходе Э5 появляется сигнал, поступающий затем на вход 2

элемента Э7 «И». На входе 1 сигнал имеется так как кнопка SB3 не нажата. Если

контактные выключатели еще не отключены (деталь не дошла до них), сигнал на

вход 1 элемента Э7 тоже есть. Значит, с выхода Э7 сигнал поступает на усилитель А1

и далее на магнитный пускатель КМ1. Двигатель начинает работать.

Цепочка «вход2 Э7 – вход1 Э1» - служит для шунтирования кнопки SB1;

Цепочка «вход 1 Э1 – вход 1 Э4» - служит для блокировки от одновременного

включения электродвигателя в разные стороны вращения.

Задающие и исполнительные устройства

Задающие устройства служат для задания требуемого (регулируемого)

параметра. Они могут быть аналоговыми или дискретными (цифровыми). По роду

энергии вырабатываемых сигналов, задающие устройства делятся на электрические,

пневматические, гидравлические, механические.

Задающее устройство состоит из носителя программы, привода и элемента

настройки. В некоторых конструкциях задающих устройств эти элементы могут

быть объединены.

В качестве носителей программы используют:

- механические устройства – кулачки (рис.57, с.8) и функциональные

потенциометры (рис. 59, с.8);

- рычажные механизмы;

- перфокарты;

- магнитные ленты;

- оптические носители (фотопленка).

- в качестве постоянных носителей программы используют шаговые

искатели, бесконтактные устройства и т.п.

В качестве приводов задающих устройств используют синхронные

электродвигатели, часовые механизмы, шаговые двигатели.

Шаговый двигатель (рис. 61, с.9). Представляет собой электромеханическое

устройство, преобразующее импульсные электрические сигналы в дискретные

угловые перемещения. Статор электродвигателя имеет три пары полюсов с тремя

обмотками (1ф., 2ф., 3ф.). При подаче питания например, на обмотку 1ф возникает

магнитное поле и, если ось ротора не совпадает с направлением силовых линий в

возбужденных полюсах статора, то на ротор действуют тангенциальные силы F

которые заставляют ротор поворачиваться до тех пор, пока ось ротора не совпадает

с направлением магнитных силовых линий. При подаче питания на обмотку 2ф,

ротор опять повернется. При последовательной подаче импульсов тока на 1ф, 2ф, 3ф,

ротор будет вращаться по часовой стрелке. При подаче тока в обратном порядке,

ротор поворачивается в обратном направлении. При подаче питания сразу на две

соседние обмотки, ротор повернется на половину угла (т.е на 45/2) и встанет

посередине между соседними полюсами.

Исполнительные механизмы предназначены для воздействия на объект

управления через регулирующий орган или непосредственно. В исполнительный

механизм входят двигатель и передаточное устройство.

В зависимости от управляющего воздействия на выходе различают силовые и

параметрические исполнительные механизмы. Если исполнительный механизм

создает управляющее воздействие на регулирующий орган в виде силы или момента,

то исполнительный механизм называют силовым. К ним относятся электрические

магниты, электрические муфты, электрические двигатели. Если изменение состояния

регулирующего органа связано с изменением его параметров (электрического

сопротивления, температуры, объема и т.п.) или параметров подводимой энергии

(электрического напряжения, электрического тока, частоты, давления и т.п.), то они

называются параметрическими. К ним относится, например, термостат (при

отклонении от заданной температуры объекта управления изменяется электрическое

сопротивление нагревательного элемента).

В зависимости от вида потребляемой энергии различают электрические,

пневматические, механические и гидравлические исполнительные механизмы.

Электромагниты (рис.56, с.8). При подаче тока в катушку (2), подвижный

сердечник (3) перемещается и тянет за собой шток (4). Это перемещение передается

регулирующему органу (например, задвижка на трубопроводе).

Электромагнитные муфты. Являются связующим звеном между приводом и

регулирующим органом. По принципу действия муфты делятся на фрикционные,

порошковые и муфты скольжения.

Электромагнитная фрикционная муфта (рис.54, с.8). Муфта состоит из двух

полумуфт – ведущей (1) и ведомой (6), посаженных соответственно на ведущий (3) и

ведомый (9) валы. В корпусе ведущей полумуфты имеется электрическая обмотка

(5), которая питается электрическим током через кольца (4) и щетки (2). При подаче

электрического тока на обмотку возникает магнитный поток, который по шлицам (8)

притягивает к себе ведомую полумуфту. Последняя, преодолевая усилие пружины

(7), притягивается к ведущей полумуфте. Силы трения между полумуфтами

позволяют передать крутящий момент с ведущего вала на ведомый. При

выключении электрического тока магнитное поле исчезает, и пружина разъединяет

полумуфты друг от друга, прерывая вращение ведомого вала. Для предотвращения

прилипания диска и обеспечения необходимого трения к ведущей полумуфте

крепится немагнитная прокладка из кожи, пластмассы или чугуна.