Генераторні датчики - студопедія
До групи генераторних датчиків можна віднести перетворювачі різних видів енергії в електричну. Найбільше застосування в якості датчиків знаходять індукційні, термоелектричні і п'єзоелектричні перетворювачі.
Індукційні датчики.
Принцип дії індукційних датчиків заснований на законі електромагнітної індукції, що дає можливість безпосереднього перетворення вхідної: вимірюваної Величини в ЕРС без джерела додаткової енергії. До цих датчиків належать тахогенератори постійного і змінного струму, що представляють собою невеликі електромашинні генератори, у яких вихідна напруга пропорційно кутової швидкості обертання вала генератора. Тахогенератори використовуються як датчики кутової швидкості.
Тахогенератори постійного струму бувають двох типів: з порушенням від постійних магнітів і з електромагнітним збудженням від незалежного джерела постійного струму.
Так як индуктированная електрорушійна сила пропорційна не тільки швидкості обертання, але і магнітного потоку:
,
то основною вимогою до тахогенератора є сталість магнітного потоку.
Тахогенератори змінного струму також бувають двох типів: синхронні і асинхронні.
Синхронні тахогенератори мають просту конструкцію і складаються зі статора (зовнішньої обмотки) і ротора, виконаного у вигляді постійного магніту з декількома полюсами (рис. 7.12). При обертанні ротора в статорі индуктируется ЕРС, значення і частота якої визначаються відомими формулами:
Отже, зі зміною швидкості обертання разом з ЕРС змінюється і частота. Це створює незручність при використанні такого датчика в автоматичних пристроях з індуктивністю і ємністю, так як при зміні швидкості обертання будуть змінюватися параметри (індуктивне і ємнісне опору) навантаження і самого тахогенератора, завдяки чому лінійність статичної характеристики порушується. Це явище накладає певні обмеження в застосуванні синхронних тахогенераторів. Їх застосовують лише в якості індикаторів для безпосереднього вимірювання швидкості обертання.
Асинхронний тахогенератор знайшов широке застосування в автоматичних схемах управління, так як його частота не залежить від швидкості обертання ротора, що створює лінійність статичної характеристики.
Конструктивно асинхронний тахогенератор є асинхронний двофазний двигун з порожнистим ротором. Дві обмотки статора зрушені на 90º і до однієї з них підводиться однаковий за амплітудою і частотою напругу збудження, що створює магнітний потік Ф1 (рис. 7.13). Цей потік ніякого впливу на другу обмотку при нерухомому роторі не робить, так як перпендикулярний її магнітної осі, тому при нерухомому роторі друга обмотка ніякої напруги створювати не буде. Але якщо ротор почне обертатися, то його стінки буде перетинати потік Ф1 і в них з'являться струми, що створюють магнітний потік Ф2. вже направлений по магнітної осі другої котушки.
Так як потік Ф1 змінюється по синусоїді, то і потік Ф2 буде теж синусоїдальним і буде наводити внаслідок цього в другій обмотці индуктироваться ЕРС
де f - частота, яка визначається тільки частотою напруги збудження; К - коефіцієнт пропорційності.
Від швидкості обертання залежить тільки потік Ф2. створюваний струмом в роторі, який залежить від потоку Ф1 і частоти обертання п:
,
Так як потік Ф1 прямо пропорційний напрузі збудження, підтримуваного постійним, то
т. е. индуцированная в другій обмотці електрорушійна сила прямо пропорційна швидкості обертання ротора.
Термоелектричні датчики призначені для вимірювання температури. Вони складаються з двох термоелектродів 1 і 2, що виготовляється з різнорідних провідників (рис. 7.14). Одні кінці цих провідників зварені (спаяні), а дні інших служать виходом датчика, звідки знімається вихідна напруга. Точка спаяний термоелектродів поміщається в область контрольованої температури.
Якщо температура вільних «холодних» кінців термопари t1 відрізняється від температури гарячого спаю U, то в силу термоелектричного ефекту в термоелектродах виникає термо-ЕРС E1, пропорційна різниці температур. Це можна пояснити тим, що енергія вільних електронів в різних металах по-різному зростає з ростом температури. Якщо уздовж провідника існує перепад температури, то електрони на гарячому кінці набувають вищих енергії і швидкості, ніж на холодному, завдяки цьому виникає рух електронів від гарячого кінця до холодного, різний в різних металах.
При наявності замкненого кола різний рух електронів створює струм, який можна трактувати як результат виникнення термоелектродвіжущей сили в гарячому спае. За рахунок цієї ЕРС з'являється вихідна напруга U вих = E1 = С (t2 - t1), де С - коефіцієнт пропорційності, що залежить від матеріалу провідників термопари. Виникнення термо-ЕРС дозволяє термопару (термоелемент) називати датчиком-генератором.
Статичні характеристики більшості термопар нелінійні. Найчастіше використовуються такі термопари: хромель - копель (до 600 ° С тривалий нагрів); хромель - алюмель (до 1000 ° С); платина - платинородій (до 1300 ° С); вольфрам - молібден (до 2100 ° С). Термо-ЕРС при максимальній робочій температурі не перевищує 10 - 50 мВ.
Всі термопари мають інерційністю. Постійні часу термопар в залежності від конструкції можуть бути від десятих часток секунди до декількох сотень секунд.
П'єзоелектричні датчики.
Вони застосовуються для отримання електричних зарядів. Утворюються на поверхні деяких кристалів при їх стисненні. Ці датчики найчастіше виготовляють з кварцу. Такий датчик являє собою кварцову пластину, на одній зі сторін якої напилю (або приклеєні струмопровідних клеєм) електроди, до яких припаиваются виведення (рис. 7.15).
При стисненні кварцової пластини силою Р на її протилежних поверхнях, а отже, і на електродах в силу прямого п'єзоелектричного ефекту виникають електричні заряди.
Величина заряду пропорційна стискає силі Р. т. Е. Q = dP, де d - коефіцієнт пропорційності, званий п'єзомодуль.
При змінюється силі Р з'являється вихідна напруга:
,
де Сд - ємність датчика (конденсатора, утвореного електродами і кварцовим діелектриком); Див - ємність монтажу.
З цієї формули видно, що, знаючи вихідну напругу, можна визначити силу Р .Якщо Р постійна, то 0.
П'єзоелектричні датчики безінерційного. Вони використовуються для вимірювання сил, тиску, вібрації і для інших вимірів, в яких прямо або побічно виявляються силові дії. Вихідна напруга п'єзоелектричних датчиків становить від одиниць мілівольт до одиниць вольт. Для посилення вихідної напруги п'єзоелектричного датчика необхідно застосовувати підсилювач з дуже великим вхідним опором.
Фотоелектричні датчики, фотоелектричні реле.
До фотоелектричним датчикам генераторного типу відносяться фотоелементи з зовнішнім фотоефектом, які на відміну від фотоелементів з внутрішнім фотоефектом (фотосопротивлений) під дією світла виділяють вільні електрони. Цим створюється різниця потенціалів, виникає електричний струм, т. Е. Відбувається безпосереднє перетворення світла в електричну величину без модуляції енергії від стороннього джерела. Конструктивно фотоелементи генераторного типу бувають двох виконань - вакуумні і напівпровідникові.
Вакуумні фотоелементи виробляють сигнал (електричний струм) невеликої величини, і він не може безпосередньо впливати на виконавчий механізм. В цьому випадку спільно з вакуумним фотоелементом застосовують електронний підсилювач.
Напівпровідникові фотоелементи (фотодіод, фототранзистор) виробляють сигнал, величина якого в ряді випадків достатня для безпосереднього впливу на вимірювальний прилад.
В даний час більш широке застосування отримали напівпровідникові фотоелементи, так як крім більшого за величиною виробляється сигналу вони мають порівняно з вакуумними менші габаритні розміри, більший термін служби, можливість експлуатації в місцях, схильних до вібрації і ударів. Недоліком напівпровідникового фотоелемента є залежність його характеристик від температури навколишнього середовища (в вакуумних фотоелементах ця залежність відсутня).
Принципова схема варіанту фотодатчика, що має релейний характеристику, представлена на рис. 7.16. Якщо фотодіод Д не освітлений, його внутрішній опір велике, транзистор Т1 закритий і реле P1 вимкнено. При висвітленні фотодіода внутрішній опір його різко зменшується і виникає струм в ланцюзі: + Еk - емітер - база транзистора - фотодіод Д1 - Ек. Транзистор відкривається, реле Р1 включається. При повторному затемненні фотодіода його внутрішній опір знову різко збільшується і реле Р1 вимикається. Діод Д2 охороняє транзистор Т1 від пробою.
Фотоелектричні датчики генераторного типу знайшли широке застосування в системах автоматичного контролю: для вимірювання сили світла різних джерел, освітленості, фотометрірованія ультрафіолетової радіації і т. Д. Шляхом фотоелектричного вимірювання радіації, яскравості або кольору розжареного тіла можна судити про його температурі. В даному випадку мається послідовне перетворення температури в променисту енергію і променевої енергії в електричну.
Такі фотоелектричні датчики називаються також оптичними пірометрами. Фактично тут зосереджені два датчика: оптичний і електричний. Оптичний датчик відноситься до датчиків генераторного типу, так як перетворення теплоти в радіаційний відбувається безпосередньо, без допоміжного джерела енергії.
Фотоелектричні датчики, що мають на виході електричний струм, легко перетворюються в фотоелектричне реле шляхом включення в ланцюг цього струму електричного реле. В якості реле використовуються електромагнітні або з використанням безконтактної технології. Особливо зручні для цієї мети тиратрони, що виконують одночасно функції підсилювачів і реле. Фотоелектричні реле отримали також широке застосування в різних схемах автоматики - в сигналізації, бракування, сортування, рахунку, захисту і т. Д.