Тензометрические преобразователи находят применение в машинах литья под давлением для определения давления металла в камере прессования, а также при контроле качества термической обработки.

6. Фотоэлектрические первичные преобразователи

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т. е. они реагируют на изменение светового потока. Создание фотоэлектрических преобразователей оказалось возможным, когда были открыты материалы, электроны которых получают дополнительную энергию при воздействии световой энергии. Причем значение дополнительной энергии может быть таково, что часть электронов оказывается свободной.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают три группы фотоэлементов: с внешним и внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем (вентильные).

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. 10, а) представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 образован светочувствительным слоем (цезий или сплав сурьмы с цезием) и нанесен на внутреннюю поверхность лампы, а анод 2 выполняется в виде кольца или пластины. Нередко в лампу вводят некоторое количество нейтрального газа (аргона), который не окисляет поверхность металла, но способен ионизироваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов значение протекающего тока. Под действием световой энергии с поверхности выбиваются электроны, образующие электрический ток (внешний фотоэффект). Промышленность выпускает фотоэлементы следующих типов: ЦГ – цезиевый газонакопленный; СЦВ – сурьмяно-цезиевый, вакуумный; ЦВ – цезиевый, вакуумный.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высокой чувствительностью и высокой температурной стабильностью. Для них характерна линейная зависимость фототока от светового потока. К числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, которые ограничивают их применение в автоматических системах управления, относятся: необходимость в повышенном напряжении питания; хрупкость стеклянного баллона; старение и утомляемость, т. е. снижение чувствительности при сильной освещенности.

Рис. 10. Фотоэлектрические преобразователи:

а – с внешним фотоэффектом; б – с внутренним фотоэффектом; в – вентильные

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) чувствительнее элементов первого типа, использующих фотоэффект со свободной поверхности металла. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом не нуждаются во вспомогательной энергии, и им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма. Недостатками их являются: подверженность влиянию окружающей температуры, утомляемость и высокая инерционность. Последнее ограничивает применение фотоэлементов с внутренним фотоэффектом при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

Фоторезисторы (рис. 10, б) представляют собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным тонким слоем селена или сернистых соединений различных металлов (таллия, висмута, кадмия, свинца). К пластине прикреплены электроды 2, имеющие контакт с полупроводниковым слоем. Размеры фоторезисторов очень невелики. При подаче к электродам напряжения через фоторезистор будет протекать ток, значение которого пропорционально освещенности. Зависимость тока от освещения имеет нелинейную величину. Однако чувствительность фоторезисторов в. сотни раз превышает чувствительность вакуумных элементов, что позволяет их использовать в автоматических устройствах без усилителей.

У вентильных преобразователей свободные электроны, изменяя свою энергию под действием светового потока, остаются в веществе. В промышленности получили наибольшее распространение селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновый фотоэлемент (рис. 10, в) имеет четыре рабочих слоя. Первый слой образован тонкой пленкой золота 1, далее идут запирающий слой 2, селеновый слой 3 и стальная подкладка 4. Запирающий слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны, выделившиеся из пленки золота и препятствуют прохождению электронов противоположного направления. Таким образом, световой поток, проходя через пленку золота, создает вентильный фотоэффект, т.е. электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный. Это приводит к возникновению разности потенциалов U_вых.

Фотоэлектрические преобразователи просты по устройству и достаточно надежны в работе. Они находят широкое применение в системах автоматики в литейных и термических цехах: для автоматического управления освещением цехов, для измерения температуры жидкого металла и нагретых деталей (фотоэлектрический пирометр), определения прозрачности жидкостей или газов, подсчета форм и изделий, проходящих по конвейеру, для контроля пламени в топках топливных печей. Они применяются в системах защиты обслуживающего персонала от травм и т. п. В целом возможности фотоэлектрических преобразователей в металлургическом производстве чрезвычайно велики.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие элементы автоматического управления (контроля) называются первичными преобразователями (датчиками)?

2. В чем заключается различие между параметрическими и генераторными преобразователями?

3. Расскажите об устройстве потенциометрических преобразователей,

4. Почему у индуктивных преобразователей статическая характеристика (вход-выход) нелинейная?

5. Расскажите об устройстве трансформаторного преобразователя.

6. Объясните принцип действия ферродииамического преобразователя.

7. Объясните принцип действия и назначение емкостных преобразователей.

8. В чем заключаются достоинства и недостатки тензометрических преобразователей?

9. Перечислите типы фотоэлектрических преобразователей и укажите их достоинства н недостатки.

10. Объясните принцип действия фотоэлектрических преобразователей.

Лабораторная работа 1. Исследование статических характеристик тензометрических преобразователей

Цель работы. Изучить конструкцию и принцип действия проволочных и фольговых тензорезисторов. Получить статические характеристики испытуемых преобразователей.

Рис. 11. Лабораторнаи установка для испытания тензорезисторов:

а – схема включення; б – схема нагружения

Описание лабораторной установки. Лабораторная установка представляет собой устройство (рис. 11) для испытаний тензорезисторов со схемой для получения основных характеристик тензорезисторов. С целью получения зависимостей выходной величины тензорезистора от приложенных усилий в схеме необходимо использовать приборы для измерения электрического тока.

Порядок выполнения работы. 1. Ознакомиться с преобразователями, установленными на стенде, и изучить электрическую схему соединений тензорезисторов и измерительного прибора. 2. Собрать электрическую схему испытаний (рис. 11, а). 3. Изменяя массу груза т от нуля до максимального и от максимального до нуля, снимают зависимости для тензорезисторов I = f (m). Для повышения чувствительности тензорезисторов два из них R1 и R2 наклеивают на стальную пластину сверху и снизу. 4. Результаты измерений заносят в протокол испытаний и по ним строят зависимость I = f (σ), где σ – напряжение изгиба, определяемое как отношение момента изгиба М к моменту сопротивления пластины N в месте наклейки терморезисторов; σ = M/N; М = mL; N = bh²/6, где b и h – ширина и высота пластины, м; I – расстояние от места приложения груза до центра тензорезистора, м.

Содержание отчета. Отчет должен содержать краткое описание принципа действия и назначение тензорезисторов, таблицу результатов испытаний, расчетные формулы и графики зависимостей выходных и входных величин.

Глава 3. Усилители и стабилизаторы

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ

Выходные сигналы первичных преобразователей и сигналы рассогласования регуляторов в большинстве случаев обладают небольшой мощностью и не могут быть непосредственно измерены или привести в действие исполнительный механизм. Поэтому сигнал усиливают до значения, которое позволяет либо ее измерить (в системах контроля), либо приводить в действие исполнительный механизм (в системах регулирования).

Рис. 12. Классификация усилителей

Усиление сигнала осуществляется устройством, называемым усилителем, путем изменения потока вспомогательной энергии, поступающей от источника к измерительному прибору или исполнительному механизму в соответствии со знаком и амплитудой сигнала. В некоторых случаях одновременно с усилением сигнала происходит его качественное преобразование. В связи с этим усилители можно разделить на четыре группы (рис. 12): с механическим перемещением на входе и выходе; с электрическим сигналом на входе и выходе; с механическим перемещением на входе и пневматическим или гидравлическим сигналом в виде изменения давления на выходе; с механическим перемещением на входе и электрическим сигналом на выходе.

Элементы, усиливающие механические перемещения, выполняют в виде рычажных устройств, механических регуляторов или механических и гидравлических муфт. Они имеют относительно небольшой коэффициент усиления.

Усилители электрических сигналов выполняют в виде электромеханических (реле), электромашинных, магнитных и электронных устройств.

Усилители, имеющие механическое перемещение на входе и пневматический или гидравлический сигнал в виде изменения давления на выходе, представляют собой вентиль, золотник или устройство типа сопло-заслонка (дроссельная заслонка).

Усилители, имеющие механическое перемещение на входе и электрический сигнал на выходе, представляют собой переменный резистор, автотрансформатор или замыкающиеся и размыкающиеся контакты реле.

В зависимости от вида применяемой вспомогательной энергии различают пневматические, гидравлические, электрические (электромеханические, магнитные), диэлектрические, электронные (полупроводниковые и тиристорные) и комбинированные усилители. В системах автоматики наибольшее распространение получили электрические усилители.

К основным характеристикам усилителей относятся выходная мощность, коэффициент усиления и форма статической характеристики. Выходная мощность усилителя определяется потребной мощностью исполнительного механизма и изменяется в весьма широких пределах (от долей ватт до десятков киловатт).

Коэффициент усиления является одной из основных характеристик усилителя. В электрических усилителях различают коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициентом усиления по напряжению K_н называют отношение напряжения выходного сигнала U_вых к входному U_вх, т. е. K_н = U_вых/U_вх. Коэффициент усиления ПО току K_т определяет отношение тока выходного сигнала I_вых к входному току I_вх усилителя, т. е. K_т = I_вых/I_вх. Коэффициент усиления по мощности К_м характеризует отношение выходной мощности Р_вых к мощности на входе Р_вх, т. е. К_м = Р_вых/Р_вх.

Статическая характеристика усилителя отражает зависимость между входной и выходной величинами в установившемся режиме и может быть линейной и нелинейной. Наиболее предпочтительна линейная характеристика.

2. Электромеханические и магнитные усилители

Электромеханические усилители выполняют в виде электромашинных усилителей (ЭМУ) или электромагнитных реле.

Электромашинные усилители – специальные электрические генераторы постоянного тока, выходная мощность которых регулируется путем изменения мощности управления. Конструктивно электромашинные усилители выполняют в виде установки, в корпусе которой располагаются асинхронный электродвигатель и генератор.

Электромашинные усилители допускают значительные форсировки по току и по напряжению, имеют малую мощность управления и хорошее быстродействие.

Однако электромашинные усилители имеют невысокую надежность из-за наличия подвижных контактов между щетками и коллектором, создают большие помехи для работы радиоаппаратуры, имеют относительно большие размеры и массу.

Рис. 13. Схемы магнитных усилителей дроссельного типа:

а – простейшего, б – на двух магнитопроводах, в – на одном Ш-образном магнитопроводе

В электромагнитных реле получаемый управляющий сигнал подают на катушку, в результате чего замыкаются контакты, способные пропускать ток большей мощности. Усилители подобного типа позволяют увеличивать энергию входного сигнала в 1000 раз, существенно упростить схему управления и повысить ее стабильность по отношению к изменениям температуры окружающей среды. Они получили широкое распространение в системах автоматического регулирования (стабилизации) температуры термических и плавильных печей.

Магнитные усилители представляют собой электромагнитное устройство, в котором связь выхода и входа осуществляется через магнитное поле. В основу принципа его действия положена нелинейная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от напряженности постоянного подмагничивающего поля, созданного или изменяемого входным сигналом.

Магнитные усилители подразделяют на простые и с самонасыщением. У первых по рабочим обмоткам протекает только переменный ток, а в усилителях второй группы по рабочим обмоткам протекает ток, содержащий постоянную составляющую.

Основными параметрами магнитных усилителей являются характеристики управления, т. е. взаимосвязь между установившимися значениями входной и выходной величин, например между рабочим током нагрузки и током управления.

Простейший магнитный усилитель – усилитель дроссельного типа (рис. 13, а). Он представляет собой катушку индуктивности 1 с ферромагнитным магнитопроводом 2 и дополнительной управляющей обмоткой 3. Нагрузка усилителя R_н включена последовательно с рабочей обмоткой, питание которой осуществляется переменным током U₀.

При изменении входного напряжения U_вх будет изменяться подмагничивающее постоянное поле и магнитная проницаемость  ферромагнитного магнитопровода, а следовательно, и индуктивность рабочей обмотки. В результате будет меняться ток выходной цепи.

Таким образом, устройство магнитных усилителей основано на использовании непостоянства магнитной проницаемости ферромагнетика, т. е. нелинейности индуктивного сопротивления дросселя.

Входное напряжение U_вх может меняться не только по амплитуде, но и по знаку. Необходимо лишь, чтобы частота входного напряжения была значительно (в 5–10 раз) меньше частоты источника питания U₀. Тогда интенсивность входного сигнала будет определять амплитуду тока в цепи нагрузки и изменение входного сигнала во времени будет соответствовать изменению огибающих этих амплитуд. Таким образом, магнитный усилитель одновременно является модулятором, преобразующим сколь угодно медленно меняющееся напряжение на входе в изменения огибающих выходного напряжения.

Рассмотренная простейшая схема дроссельного магнитного усилителя практически не применяется, так как переменный ток, протекающий по рабочей обмотке, наводит ЭДС в управляющей обмотке. Наведенный ток попадает в цепь датчика сигнала и искажает его характеристику.