Элементы автоматики и их функции.

Любое автоматическое устройство состоит из отдельных связанных между собой элементов, в которых происходит количественное и качественное преобразование физических величин.

Для контроля разнообразных параметров применяют различные датчики, серийно выпускаемые промышленностью.

Однако в сельскохозяйственном производстве еще не полностью разработаны датчики для контроля технологических процессов или качества сельскохозяйственной продукции (например, содержание жира, белка, кислот и солей в молоке, степень свежести мяса и яиц, степень спелости овощей и фруктов, содержание влаги, белка и крахмала в зерне и т. п.). Кроме того, сельскохозяйственному производству необходимо большое количество специальных датчиков для контроля и управления физиологическими процессами жизнедеятельности животных и растений.

Наиболее важный элемент датчика — первичный преобразователь — воспринимающий орган, который непосредственно реагирует на контролируемый параметр и преобразует его в необходимый сигнал. Воспринимающие органы систем автоматики в большей степени, чем какие-либо другие, подвержены различным влияниям как окружающей среды (изменение температуры и влажности, агрессивные газы, коррозия и др.), так и вредным воздействиям со стороны автоматизируемого объекта (вибрация, толчки и т. д.). В устройствах автоматики стационарных и мобильных сельскохозяйственных установок и агрегатов применяют, как правило, электрические датчики неэлектрических величин как наиболее удобные, универсальные и дешевые.

Использование электроэнергии для управления неэлектрическими процессами связано с особенностями электрических сигналов: их легко перерабатывать, складывать, вычитать, сравнивать по определенным признакам, разделять. Их можно легко и быстро передавать на большие расстояния, распределять между многими потребителями, собирать с многих источников. Наконец, разнообразные датчики позволяют легко перевести на электрический язык, отобразить в электрических сигналах самые разные неэлектрические характеристики — температуру, скорость движения, освещенность, давление, химический состав.

Выходными электрическими величинами датчиков могут быть ЭДС (напряжение), ток, активное, индуктивное или емкостное сопротивления и т. п.

Чувствительность датчика-преобразователя определяют как отношение изменения выходной электрической величины к вызвавшему его изменению входной неэлектрической величины. Если чувствительность датчика мала или вырабатываемый им выходной сигнал имеет значение, недостаточное для осуществления непосредственного управления, то этот сигнал подвергают усилению.

Датчики сопротивления. Контактные датчики применяют для контроля перемещения. Основная часть простейшего однопредельного датчика (рис. 1, а) — толкатель, на котором укреплена упругая металлическая пластинка с электрическим контактом. При замыкании с неподвижным контактом выходное сопротивление датчика, то есть сопротивление между его зажимами, становится практически равным нулю.

Чаще используют двухпредельные датчики (рис. 1, б). Когда перемещение находится в пределах допуска, контакты датчика разомкнуты, при уменьшении или увеличении этого допуска срабатывают контакты.

В многопредельном датчике (рис. 1, в) в исходном положении разомкнуты все контакты, затем возможно поочередное замыкание подключенных между ними резисторов до такого момента, когда общее сопротивление датчика будет равно нулю.

Реостатные датчики используют для преобразования углового перемещения (или линейного) объекта в изменение сопротивления или напряжения, причем выходное сопротивление измеряется плавно с изменением механического перемещения. Реостатный датчик представляет собой проволочный переменный резистор (обычно из манганина или константана), контактная щетка которого механически связана с объектом, перемещение которого контролируется. Щетка может двигаться по кругу или прямолинейно (рис. 1, г).

Датчики первого типа удобны для регистрации углового перемещения. Их можно использовать и для регистрации линейного перемещения, если применить рычаг или зубчатую рейку. Датчики второго типа можно непосредственно использовать для контроля линейного перемещения.

Рис. 1. Конструкции датчиков сопротивления:

а — контактный однопредельный; б — контактные двух предельный; в — контактный многопредельный; г — реостатный; д — электролитические; е — проволочный; 1 — измеряемый предмет; 2 — толкатель; 3 и 4 — подвижный и неподвижный контакты; 5 — электролит; 6 — электрод; 7 — основа; 8 — проволочный резистор.

Электролитические датчики используют для контроля и регулирования концентрации различных растворов солей и кислот. Если в электролит погрузить два электрода, то сопротивление между ними будет зависеть от концентрации электролита (рис. 1, д). Если датчик питать постоянным током, то из электролита будут выделяться входящие в него вещества. Для предотвращения этого измерительную схему надо питать переменным током. Электроды датчика изготавливают из материалов, у которых отсутствует химическое взаимодействие с электролитом.

Проволочные датчики (рис. 1, е) применяют для контроля и регулирования сил и моментов различных механизмов, для контроля за растяжением, сжатием, кручением и т. д.

Если отрезок подвергнуть растяжению, то в результате увеличения его длины и уменьшения площади поперечного сечения сопротивление его изменится. Это явление используется в проволочных датчиках. Для их изготовления применяют проволоку Диаметром 0,02 ... 0,05 мм из константана или нихрома, которую приклеивают к детали, удлинение которой контролируют.

Широко применяют фольговые датчики, изготовленные из тонкой фольги в виде различных фигур. Эти датчики рассеивают теплоту лучше проволочных, так как площадь поверхности фольги больше площади проволоки. В связи с этим через фольговые датчики можно пропускать большие токи, что позволяет в некоторых случаях применять их без усилителя.

Датчики температуры. Простейший датчик температуры — ртутный термометр с встроенными в него электродами. Перемещением электродов можно задать температуру срабатывания, которое происходит при подъеме ртути и замыкании электродов.

Наиболее распространенные датчики температуры — терморезисторы. В них используют свойства полупроводника изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Они характеризуются температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) — относительным изменением сопротивления при нагревании на один градус. Датчик с отрицательным ТКС называется термистором, с положительным — позистором. Ток, протекающий через полупроводниковый терморезистор, должен быть небольшим, иначе последний будет заметно разогреваться и это приведет к погрешности при измерении температуры.

Индуктивные датчики применяют для контроля размеров, преобразования механических перемещений и т. д. Работа их основана на свойстве катушки с сердечником из стали изменять свою индуктивность при перемещении сердечника (якоря) внутри, катушки или при изменении воздушного зазора в сердечнике.

В индуктивном датчике с втяжным якорем (рис. 2, а) механическая сила перемещает якорь внутри катушки. Когда якорь выводится из катушки, индуктивное сопротивление ее уменьшается, а при введении якоря в катушку, возрастает. Такие датчики можно использовать для преобразования механических перемещений до 10 мм.

Индуктивный датчик с притяжным якорем(рис. 2, б) имеет большую чувствительность, однако его нельзя использовать для преобразования перемещений более 2 ... 3 мм.

Индуктивный трансформаторныйдатчик (рис. 2, в) представляет собой трансформатор с двумя обмотками и воздушным зазором в магнитной цепи. Если одна обмотка подключена к источнику переменного напряжения, то напряжение в другой обмотке будет зависеть от величины зазора. Число витков вторичной обмотки определяется схемой, в которую включается датчик.

Фотоэлектрические датчики преобразуют изменения падающего на них светового потока в изменения электрического тока. Их применяют для автоматического контроля и регулирования уровня жидкости, давления, автоматической сортировки по форме, цвету, размерам, в автоматах управления освещением, автоматического контроля, расхода жидкостей и т. д.

Рис. 2. Устройство индуктивных датчиков:

а — с втяжным якорем; б — с притяжным якорем; в — трансформаторный; 1 — якорь; 2 — катушка; 3 — сердечник; δ — перемещение.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, В них используется свойство некоторых металлов испускать электроны под действием падающего на них света (внешний фотоэффект). Такой фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находятся два электрода: анод и фотокатод (рис. 3, а). Анод выполняется в виде тонкого проволочного кольца, расположенного в середине баллона, или проволочной сетки. Фотокатод представляет собой слой серебра (подложка) на внутренней поверхности баллона или расположенной внутри баллона пластинке; на подложку нанесен слой щелочноземельного металла цезия. В баллоне оставляют прозрачный участок, чтобы через него на катод мог падать световой поток. Анод подключается к плюсу источника постоянного тока, а катод — к минусу. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом бывают вакуумными и газонаполненными.

При освещении фотокатода из него вылетают свободные электроны, которые притягиваются анодом. В вакуумных фотоэлементах фототок (ток в цепи анода) образуется только электронами, вылетающими из фотокатода.

В баллоне газонаполненного фотоэлемента имеется небольшое количество инертного газа. Электроны, вылетающие из катода, ионизируют газ. Вследствие этого фототок в газонаполненном фотоэлементе создается не только электронами, вылетевшими из катода, но и электронами и ионами, получающимися в результате ионизации газа.

Рис. 3. Устройство фотоэлектрических датчиков:

а — с внешним фотоэффектом; б — фоторезистивный; 1 — корпус; 2 — анод; 3 — фотокатод; 4 — токопроводящие электроды; 5 — слой полупроводника

Чувствительность фотоэлемента равна отношению величины фототока к величине действующего на него светового потока; единица измерения чувствительности — мкА/лм. Благодаря явлению ионизации газа чувствительность газонаполненных фотоэлементов в 5...10 раз выше чувствительности вакуумных.

Фоторезисторы. Действие их основано на свойстве полупроводников изменять сопротивление электрическому току при воздействии на них света. На стеклянную подложку нанесен тонкий слой полупроводника (сернистый свинец, сернистый кадмий и т. д.), на поверхности которого помещены токопроводящие электроды в виде тонких металлических слоев. К последним припаяны контактные выводы (рис. 3, б). Фоторезисторы не требуют помещения их в герметичный баллон. Для их нормальной работы достаточна защита полупроводника тонким слоем прозрачного лака, нанесенного непосредственно на слой полупроводника.

Гигрорезисторы представляют собой твердые пленки из полупроводниковых веществ, которые служат в схемах автоматики чувствительными элементами, реагирующими на влажность. Такие элементы обладают свойством впитывать влагу из окружающей газообразной среды и в соответствии с этим изменять свое сопротивление (оно уменьшается с повышением влажности). Примерами могут служить калиевонатриевые датчики влажности ЭВ4-0.1Т, ЭВ4-0.2Т, используемые в регуляторах влажности СПР-104Т.

Конструктивно датчик представляет собой фарфоровый цилиндр, на котором параллельно по винтовой линии намотаны два провода. Между ними нанесен слой твердой полупроводниковой пленки, чувствительной к влаге. Два термистора, предназначенные для температурной компенсации, размещены в торцевой части цилиндра. Выводы гигрорезистора и термисторов присоединены к ножкам цоколя.

Основной недостаток гигрорезисторов — нестабильность характеристики и малая инерционность.

Емкостный датчик по существу представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется при изменении контролируемой неэлектрической величины. Как известно, емкость конденсатора зависит от площади пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды между обкладками. Поэтому используют три разных типа датчиков. Наибольшее распространение получили датчики, выполненные в виде плоского или цилиндрического конденсатора.

Емкостным датчикам присущ ряд недостатков: мощность вы¬ходного сигнала невелика, необходимо применять для питания источники повышенной частоты (10 кГц и более), необходима экранировка от паразитных емкостей.

Системы автоматического управления и элементы автоматики.