Лабораторная работа №4 «Элементы автоматических устройств»

Цель работы: ознакомление с отдельными элементами систем автоматического контроля управления и регулирования технологических процессов.

Теоретическая часть

1. Датчики

Системы автоматического контроля, управления и регулирования состоят из отдельных элементов, выполняющих опреде­ленные функции. По характеру выполняемых функций элементы подразделяются на датчики, усилители ко­мандных (управляющих) сигналов и ис­полнительные устройства [4].

Датчиком в системе автоматического контроля и регулирова­ния называют специальное устройство, слу­жащее для преобразования контролируе­мой или регулируемой величины в выход­ной сигнал, удобный для измерения.

Контролируемым параметром может быть температура в пропарочной камере завода железобетонных конструкций; угол наклона отвала автогрейдера при нарезке сливной призмы земляного полотна; напряжения и деформации в конструкциях зданий, сооружений, элементах технологического оборудования и т.д.

Датчик состоит из одного или несколь­ких элементов (преобразователей). Глав­ным элементом датчика является первич­ный преобразователь, воспринимающий контролируемую величину и называемый чувствительным элементом. Чувствитель­ные элементы по физическому принципу могут быть электрические, механические, акустические, оптические, тепловые, гид­равлические, радиоактивные, электромаг­нитные и других видов [1].

Классификация датчиков, применяе­мых в строительстве, приведена в таблице 1.

Таблица 1

Наименование датчика	Вид преобразования	Примеры применения в строительстве
Механические датчики
1. Датчики перемещения
Потенциометрический (реостат)	Изменение активного сопротивления	Приборы для автоматического учета работы кранов, телемеханические устройства, уров­немеры, жидкостные моделирующие устрой­ства, системы автоматизации дорожно-строи­тельных и путевых машин
Проволочный тензометрический	То же	Измерение деформаций; механические ис­пытания строительных сооружений, конст­рукций и машин; измерение веса в весовых конструкциях (дозаторах)
Индуктивный дифференциальный	Изменение индуктивного сопротивления	Измерение силы, давления, уровня жидко­сти; применяется в дозаторах бетонных за­водов, работомерах, ограничителях грузоподъемности, задатчиках программ регули­рования и т. п.
Емкостный	Изменение емкостного сопротивления	Уровнемеры, измерение малых перемеще­ний, измерение прогиба ленты конвейера, контроль влажности строительных материа­лов
2. Датчики скорости
Тахогенератор	Преобразование угловой скорости в э.д.с.	Измерение и регулирование частоты враще­ния различных машин и механизмов, в том числе электропривода строительных машин
3. Датчики ускорения
Пьезоэлектрический	Преобразование ускорения в э.д.с.	Транспортные и подъемные устройства, измерение вибраций
4.Датчики силы
Угольный	Преобразование силы в изменение активного сопротивления	Механические испытания строительных сооружений и конструкций
Магнитоупругий	Преобразование силы в изменение индуктивного сопротивления	То же, кроме того, применяется в дозаторах и системах автоматического контроля натяжения арматуры в предварительно напряженных железобетонных конструкциях
Пьезоэлектрический	Преобразование силы в разность потенциалов	Измерение усилий, вибраций
Акустические датчики
1. Звуковые
Электродинамический микрофон	Преобразование ультразвуковых колебаний в э.д.с.	Звукометрический регулятор производительности шаровых мельниц
2. Ультразвуковые (универсальные)
Ультразвуковой	Преобразование ультразвуковых колебаний в разность потенциалов	Испытание строительных материалов и конструкций, определение расположения арматуры в железобетонных изделиях, дефектоскопы, толщиномеры, контроль тепловлажной обработки железобетонных изделий по набору прочности
Тепловые датчики
Термометры сопротивления, полупроводниковые термосопротивления	Преобразование температуры в изменение активного сопротивления	Измерение и регулирование температуры в пропарочных камерах заводов железобетонных изделий и при электропрогреве бетона, измерение температуры подшипников
Термопары металлические, термометры полупроводниковые	Преобразование температуры в э.д.с.	Измерение высоких температур, регулиро­вание температуры в асфальтосмесителе, ре­гулирование температуры в отдельных частях машин, аппаратов
Оптические датчики
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом	Преобразование светового потока в электрический ток	Автоматическое включение транспортных установок и освещения, сигнализация, блокировка, учет штучной продукции
Фотосопротивления	Преобразование светового потока в измерение активного сопротивления	Дозаторы бетонных заводов, учет штучной продукции, контроль размеров, регулирова­ние процессов, взвешивание, автоматический контроль и управление рабочими орга­нами путевых машин, шифраторы на заво­дах – автоматах
Вентильные фотоэлементы	Преобразование светового потока в э.д.с.	Автоматическое управление транспортными установками
Радиоактивные датчики
Радиоактивные элементы	Преобразование радиоактивных излучений в ионизационный ток	Измерение уровня жидких и сыпучих материалов, влажности песка, щебня и бетонной смеси, толщины и высоты слоя; контроль запыленности среды, газопроницаемости материала; расходомеры материалов

Наибольшее распространение в систе­мах автоматики, применяемых в транс­портном строительстве, получили датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические, так как выходной сигнал (ток, напряжение) может записываться, передаваться на расстояние и, тем самым, дистанционно управлять производствен­ным процессом.

Основными характеристиками датчи­ка являются статическая характеристика и чувствительность. Статическая характеристика датчика отображает функциональную зависимость выходной величины у от входной величи­ны х ,т.е.

у =f(x), (1)

где у - величина, полученная после преобразова­ния (выходная); х - контролируемая (входная) величина, действующая на датчик.

При плавном изменении выходной ве­личины статическая характеристика датчи­ка представляет собой плавную кривую. При скачкообразном изменении выходной величины статическая характеристика име­ет разрывной характер. Такие датчики на­зывают датчиками с релейной характери­стикой. По статической характеристике датчика определяют его чувствительность.

Чувствительность датчика показывает степень изменения выходной величины в зависимости от изменения входной

. (2)

Так, например, чувствительность тер­мопары показывает степень изменения раз­виваемой ею термоэлектродвижущей силы при изменении температуры. Наименьшее изменение входной величины, вызываю­щее заметное изменение выходного сигнала, называют порогом чувствительности датчика [2].

По выходной величине все электриче­ские датчики разделяются на параметри­ческие и генераторные. Параметрическим датчиком называют датчик, который для своей работы требует дополнительного источника питания. При­мером такого датчика может служить тер­мометр сопротивления, у которого конт­ролируемая величина – температура – преобразуется в изменение электрического активного сопротивления, а значит и тока, за счет источника питания, включенного в диагональ моста, т.е. подключенного к зажимам термо­метра.

Генераторным датчиком называют дат­чик, который для своей работы не требует дополнительного источника питания. При­мером генераторных датчиков являются: термопара, в которой за счет энергии вход­ной величины (температуры) возникает электродвижущая сила (выходная величи­на); тахогенератор; пьезодатчики и ряд других.

Датчики выполняют контактными и бесконтактными. Чувствительный элемент в контактных датчиках непосредственно соприкасается с контролируемым объек­том, а в бесконтактных не соприкасается. К бесконтактным относятся радиоактив­ные, ультразвуковые, фотоэлектрические и электромагнитные датчики.

При автоматизации существующих и разрабатываемых вновь производствен­ных и строительных процессов в транспорт­ном строительстве, а также при автомати­зации строительных и дорожных машин приходится измерять, контролировать и регулировать разнообразные параметры технологических операций, как, например, скорости, углы наклона, перемещения, крутящие моменты, уровни, механические напряжения, температуры и т. д., для чего применяют различные датчики.

Датчики перемещения. Потенциометрические (реостатные) датчики применяются для преобразовани­я угловых и линейных перемещений в электрический сигнал. Датчики такого типа (рис. 1) представляют собой переменное электрическое сопротивление R_П, к концам которого прикладывается напряжение питания U₀. Выходное напряже­ние U₁ снимается при помощи подвижного контакта (движка) с переменного сопро­тивления (потенциометра) R_П. При линей­ном или угловом перемещении детали, по­ложение которой контролируется датчи­ком, контакт (движок) скользит по на­мотке. Потенциометры работают в схемах с источниками постоянного и переменного тока и широко используются в следящих системах в качестве измерительных эле­ментов. Реостатные датчики выпускаются с проволокой, намотанной на корпус, или реохордного типа. В устройствах автома­тики чаще применяется включение их по схеме делителя напряжения.

Рис.1. Схема включения потенциометрического датчика

Тензометрические (проволочные) датчики применяют для преобразования механических напряжений, усилий и дефор­маций в различных механизмах и конструкциях в электрический сигнал. Наиболее распространены тензодатчики, у которых при внешнем воздействии изменяется ак­тивное сопротивление чувствительного элемента. Такие датчики называют тензо­резисторами. Наиболее распространенный проволочный датчик (рис. 2) состоит из проволоки диаметром от 15 до 60 мк, уло­женной зигзагообразно и обклеенной с двух сторон тонкой бумагой. К концам проволоки присоединены выводные про­водники для включения датчика в измери­тельную сеть. Датчики приклеивают к ис­пытуемой детали так, чтобы проволоки воспринимала ее деформации (сжатие или растяжение). В результате изменяется соп­ротивление проволоки. Тензометрический датчик преобразует весьма малые переме­щения (деформации) в электрическое сопротивление. Сопротивление проволоки R зависит от ее длины l, м, и сечения S, м², т.e.

, (3)

где ρ - удельное сопротивление проводни­ка, Ом · м.

Изменение длины проволоки l, выз­ванное усилием деформации F, можно оп­ределить по формуле

, (4)

где Е – модуль упругости металла проволоки, Н/м².

Рис. 2. Проволочный тензодатчик: а – вид датчика при снятом покрытии;б– поперечное сечение;в- конструкция; 1 – выводные провода; 2 – проволока; 3 – подкладка из бумаги или лаковой пленки; 4 – покрытие из бумаги, фетра или лака; 5 – бумажный каркас

Основными достоинствами проволочных тензодатчиков являются почти полное отсутствие их влияния на деформацию детали и низкая стоимость.

Фольговые датчики представляют собой дальнейшее развитие проволочных тензодатчиков. В них вместо решетки из проволоки применяется решетка из тонких полосок металлической фольги (толщиной несколько микрон), которая наклеивается на пленочную основу. Конструкции решеток фольговых тензодатчиков могут иметь различные конфигурации. Практически можно изготовить решетку любого рисунка. В технике чаще применяются следующие конструкции решеток: прямая - для измерения линейных деформаций; розеточная - для измерения крутящих моментов на круглых валах; мембранная - для измерения усилий, воздействующих на мембраны [4].

Одной из разновидностей параметрических датчиков являются датчики реактивного сопротивления, питающиеся от источника переменного тока. К таким датчикам относятся индуктивные и емкостные.

Индуктивные датчики при­меняются для преобразования в электри­ческий сигнал небольших линейных и уг­ловых перемещений. Принцип действия их основан на изменении индуктивности ка­тушки с магнитопроводом при перемещении якоря. Индуктивные датчики имеют различную конструкцию. На рис. 3, а по­казан индуктивный датчик с воздушным зазором δ, который изменяется при воздействии на якорь измеряемой механической величины P (силы). С изменением зазора изменяется магнитное сопротивление сердечника, а следовательно, и индуктивность катушек. Катушки расположены на сердечнике и включены в цепь переменного тока. Изменение индуктивности катушки вызывает соответствующее измене­ние тока.

У индуктивного датчика дифференциального типа (рис. 3, б) сердечник рас­положен между двумя симметричными индукционными катушками. При одинаковых воздушных зазорах δ₁ и δ₂ индуктивные сопротивления обмоток L1 и L2 равны, и в измерительном приборе ток не возникает. При перемещении сердечника ин­дуктивные сопротивления катушек стано­вятся различными, что вызывает отклонение стрелки прибора.

Подвижной сердечник индуктивного датчика плунжерного типа (рис. 3, в) воспринимает перемещение от контролируемого объекта, для чего он помещен внутрь симметрично расположенных кату­шек, включенных в мостовую схему. При перемещении сердечника равновесие из­мерительного моста нарушается, а в его диагонали появляется ток, зависящий от величины перемещения сердечника относительно нейтрального положения.

Индуктивный поворотный трансформаторный датчик (рис. 3, г) имеет две обмотки. Первичная обмотка W₁ питается от источника переменного тока. Вторичная обмотка W₂ поворачивается на некото­рый угол α при угловом перемещении контролируемой детали. При повороте обмотки W₂ изменяется взаимоиндукция обмоток и, следовательно, величина вто­ричной э. д. с. (U_вых).

Рис. 3. Схемы индуктивных датчиков

Преимуществом индуктивных датчи­ков являются простота и надежность устройства, отсутствие подвижных контак­тов, возможность использования перемен­ного тока промышленной частоты и воз­можность непосредственного включения измерительного прибора. Данные обстоя­тельства способствуют широкому их расп­ространению в промышленности.

Емкостные датчики преоб­разуют механические перемещения в изме­нения электрической емкости, т. е. изме­няют емкостное сопротивление

, (5)

где f - частота источника питания, Гц; С – емкостъ, Ф.

. (6)

Емкостные датчики, как и индуктив­ные, работают на переменном токе, только в отличие от индуктивных в большинстве случаев они работают на частоте выше 1 кГц.

Значение емкости С можно регулировать изменением зазора δ, площа­ди S и выбором материала диэлектрика (диэлектрической постоянной ε). Емкост­ные датчики могут иметь различную кон­струкцию. В одних датчиках пластины конденсатора сдвигаются и раздвигаются (рис. 4, а), в других они выполнены в виде пластин и взаимно поворачиваются (рис. 4, б); у других цилиндры смеща­ются один параллельно другому (рис. 4, в) или между двумя неподвижными пласти­нами конденсатора перемещается третья (рис. 4, г).

Рис. 4. Схемы емкостных датчиков

Последняя конструкция представляет собой дифференциальный емкостный дат­чик. При перемещении средней пластины емкость конденсатора изменяется. Емко­стные датчики обладают высокой чувст­вительностью, а отсутствие электрических контактов обеспечивает их надежную работу. Однако эти датчики в автоматике получили небольшое распространение, так как имеют серьезные недостатки. В частно­сти, они непригодны для работы на низких частотах и требуют специального высоко­частотного генератора. Схемы с емкостны­ми датчиками сложны в регулировке и не­удобны в эксплуатации, так как они чувст­вительны к посторонним электрическим полям и паразитным емкостям [3].

Электроконтактные (электромеханические) датчики предназ­начены для управления электроприводами механизмов и машин, а также для ограни­чения перемещения (в частности, аварий­ного) различных частей механизмов. К датчикам такого рода относятся путевые (конечные) выключатели, которые приво­дятся в действие движущимися элемента­ми машин и механизмов.

Путевые выключатели оснащены раз­личными наборами групп подвижных кон­тактов. По характеру действия механизма на подвижные контакты различают вы­ключатели простого и мгновенного дейст­вия, а по виду возвратной характеристи­ки – выключатели с самовозвратом и без самовозврата. Наибольшее распростране­ние в системах автоматики строительных машин и механизмов получили путевые выключатели серии ВК и микропереключа­тели.

К электроконтактным датчикам мож­но отнести различные модификации ртут­ных переключателей поворотного типа. Они представляют собой частично запол­ненный ртутью стеклянный сосуд с впаянными электрическими контактами. В определенных положениях контакты сое­диняются через ртуть и замыкают электри­ческую цепь. При повороте стеклянного сосуда в другое положение ртуть переливается и контакты размыкаются. Получае­мые при этом электрические сигналы мо­гут быть использованы для управления исполнительными механизмами.

Следует отметить, что в настоящее время ртутные выключатели находят все меньшее применение, так как в условиях вибрации дают ложные срабатывания.

Бесконтактные датчики и концевые выключатели получи­ли большое распространение в системах автоматизации строительных машин и ме­ханизмов. Эти приборы состоят из следую­щих функциональных элементов: металли­ческой пластины (или детали механизма) ­воздействующего (контролирующего) элемента, преобразователя (генератора) перемещений контролируемого элемента в электрический сигнал и электрической схемы релейного действия для получения выходного сигнала дискретной формы.

Рассмотрим работу указанных элементов на примере схемы датчика БК–А–5–0 (рис. 5). Преобразователь представляет собой схему генератора, выполненного на транзисторе VТ1. Катушки обратой связи его L1 и L2 образуют чувствительный элемент, взаимодействующий с перемещае­мой металлической деталью контролируе­мого механизма или с закрепленной на ней металлической пластиной – экраном. Если экран отсутствует, то генератор воз­буждается, его колебания с обмотки L3 выпрямляются диодом VD1 и сглаживаются конденсатором С4. Образованный сигнал постоянного тока усиливается двухкаскадным усилителем с релейной харак­теристикой на транзисторах VТ2 и VТЗ, причем транзистор VТ2 открыт, а транзи­стор VТ3 закрыт. Нагрузкой, включаемой между шиной на 12 или 24 В и коллектором транзистора VТ3, может быть обмот­ка реле, логический элемент и т. д. В слу­чае нахождения между катушками метал­лического экрана колебания генератора прекращаются, транзистор VТ2 закрыва­ется, а VТЗ открывается, обеспечивая по­явления напряжения на нагрузке.

Рис. 5. Принципиальная схема бесконтактных датчиков и выключателей

Все разновидности выпускаемых бес­контактных датчиков и выключателей мо­гут быть сведены к двум типам. Датчик со щелевым чувствительным элементом (рис. 6) отличается большой точностью и быстродействием, однако сравнительно сложен. Датчик с плоскостным чувстви­тельным элементом (рис. 7) более прост по конструкции и удобен в эксплуатации, но имеет несколько худшие показатели по точности и быстродействию. В датчиках первого типа металлический экран прохо­дит в щели между катушками чувствительного элемента, в датчиках второго типа экран установлен около катушек с определенным зазором.

По назначению датчики и выключатели можно разделить на три основные группы:

- датчики, встраиваемые в измеритель­ные приборы, например весовые головки (датчики БК, БК–А, БК–5– 0), указатели уровня сыпучих материалов, сигнализато­ры наличия материалов на ленте транспортера, щуповые датчики систем автоматики автогрейдеров и асфальтоукладчиков (типа БК–А), бесконтактные манометры (датчики типа БК–0) и др;

- выключатели, устанавливаемые на исполнительных механизмах машин и оборудования, например затворах дозаторов бетоносмесителей (выключатели типов КВД–3 и КВД–6), для контроля положения камерных насосов пневмотранспорта цемента и положения передней заслонки и задней стенки ковша скрепера (выключатели типов КВП–8 и КВП–16) и др.;

- выключатели для контроля положения транспортных средств, например, на передвижных складах цемента, на мачтовых подъемниках (выключатели типа КВД–100 )

Бесконтактные датчики и конечные выключатели обеспечивают высокую надежность и долговечность автоматизированных систем управления строительно – дорожными машинами и оборудованием на предприятиях строительной индустрии.

Рис. 6. Габаритные размеры и схема внешних соединений датчиков типов БК и БК-А

Рис. 7. Путевой выключатель КВП-8 с плоским чувствительным элементом

Датчики скорости. Одним из наиболее распространенных датчиков скорости является тахогенератор, который представляет собой электромеханическое устройство, преобразующее механическое вращение в электрический сигнал. Тахоге­нераторы используются как электрические датчики угловой скорости и работают как обычные маломощные электрические машины в режиме генератора для выработки напряжения, пропорционального частоте вращения. В зависимости от конструкции и соответственно выходного напряжения тахогенераторы подразделяются на тахоге­нераторы постоянного (рис. 8) и пере­менного тока с независимым возбуждени­ем. Вал тахогенератора соединяется с ва­лом, частоту вращения которого необхо­димо замерить или контролировать. Вы­ходное напряжение, снимаемое с его ще­ток, пропорционально частоте вращения вала. При изменении направления враще­ния меняется полярность напряжения.

Рис. 8. Схема тахогенератора постоянного тока с обмоткой возбуждения

Тахогенераторы широко применяют в схемах автоматического управления электроприводами конвейеров, дозаторов неп­рерывного действия и при выполнении различных измерений.

Датчики усилий. Преобразование из­меряемых усилий в электрическое напряжение производится датчиками усилий, которые подразделяются на магнитоупру­гие, пьезоэлектрические, емкостные, ин­дуктивные, тензометрические и др ..

В магнитоупругом (магни­тострикционном) датчике ис­пользовано явление изменения магнитной проницаемости μ ферромагнитных мате­риалов при создании в них упругих дефор­маций. В магнитоупругом датчике (рис. 9) пропорционально силе F изме­няется индуктивное сопротивление катуш­ки, которая включена в мостовую измери­тельную схему.

Рис. 9. Схема магнитного датчика

В пьезоэлектрических дат­чиках использован прямой пьезоэф­фект, который заключается в появлении электрических зарядов на гранях некото­рых кристаллических тел (сегнетовой со­ли, кварца, титана, бария и др.) при их де­формации под воздействием механических сил. Пьезоэлектрический датчик (рис. 10) состоит из двух кварцевых пластин 1, за­жатых в обойме 2. При приложении изме­ряемого усилия F к датчику на противо­положных гранях пластин возникают элект­рические заряды. Пластины расположены таким образом, что в цепь прибора (усили­теля) подается отрицательный потенциал. Положительные заряды через корпус дат­чика отводятся на землю. Достоинством пьезоэлектрических датчиков является их безынерционность.

Рис. 10. Схема пьезоэлектрического датчика

Датчики усилий находят применение при испытании конструкций машин, меха­низмов, строительных материалов, а также измерений переменных усилий, вибраций, давлений.

Температурные датчики. Способность тел изменять физические свойства при воз­действии на них температуры положена в основу конструкции температурных преобразователей.

В строительной технике используются такие физические явления, как тепловое расширение тел (биметаллы), появление термоэлектродвижущей силы (термопа­ры), изменение электропроводности про­водников и давления газов при нагреве.

В электрических термометрах сопротивления использовано свой­ство чистых металлов и полупроводнико­вых материалов изменять омическое соп­ротивление в зависимости от температуры. Проволочные термометры сопротивления изготавливают из тонкой проволоки, на­мотанной на каркас из электроизоляцион­ного материала. Для защиты от воздейст­вия измеряемой среды датчики помещают в защитные чехлы. Отечественные прово­лочные термометры сопротивления изготавливают из меди (термометры типа ТСМ) и платины (термометры типа ТСП).

Термометры сопротивления работают обычно с электроизмерительными (вторичными) приборами – логометрами и автоматическими электронными мостами. Термометры сопротивления получили наиболее широкое применение в системах автоматического управления температур­ным режимом пропарочных камер на заводах железобетонных конструкций.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) изготавли­ваются из окислов различных метал­лов (марганца, меди, никеля, титанa и др.). Они имеют отрицательный темпе­ратурный коэффициент сопротивления, что означает, что с увеличением темпе­ратуры сопротивление термистора умень­шается. Наиболее часто термисторы применяют в диапазоне температур от -100 до 120 °С. По сравнению с прово­лочными термометрами сопротивления термисторы обладают большей чувствительностью и меньшей инерционностью и могут регистрировать температуры величиной в сотые и тысячные доли граду­сов. Высокое внутреннее сопротивление термисторов позволяет при их эксплуа­тации не учитывать сопротивление соединительных проводников.

Полупроводниковые термисторы из­готавливаются с защитным кожухом в виде цилиндров (ММТ–4, КМТ–4) и шайб (ММТ–9). Термисторы типов СТ 1–18 и СТ 3–25 изготавливаются без защитного кожуха (открытого типа) диаметром 0,3…0,5 мм, что приводит к уменьшению постоянной времени до десятых долей секунды.

Недостатком полупроводниковых тер­мометров сопротивления является нестабильность их характеристик во времени. Срок их службы не более 5 тыс. ч.

Рис. 11. Схема включения термопары

Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на свойстве некоторых металлов и спла­вов создавать э. д. с. при нагревании ме­ста их соединения (спая); по величине э. д. с. (рис. 11) можно судить о температуре нагрева спая. Наиболее широкое применение имеют термопары, проводники которых изготовлены из сле­дующих специальных сплавов: хромель-­копель (термопара типа ТХК для изме­рения температур до 700 °С) и хромель­-алюмель (термопары типа ТХА для изме­рения температур до 1200 °С), платина-радий (термопара для измерения температур до 1600 °С). Термопары работают в комплекте с вторичными приборами – милливольтметрами и потенциометрами. Так, например, термопары типа ТХК применяют в системах автоматики регу­лирования температуры минеральных составляющих асфальтобетона.

В манометрических тepмометрах использовано свойство заключенных в закрытый сосуд газов, которые при изменении температуры из­меняют давление на его стенки. Такой термометр (рис. 12) состоит из термо­баллона 3, соединяющей капиллярной трубки 2 и трубчатой пружины 1. При наличии электроконтактной (бесконтакт­ной) сигнализации манометрический тер­мометр может быть применен в качестве температурного датчика в системе автома­тического регулирования.

Рис. 12. Схема манометрического термометра

Фотоэлектрические датчики. Датчи­ки этого вида преобразуют световую энергию в электрическую. Они выпускаются трех типов: с внутренним, внеш­ним и вентильным фотоэффектом. Если под действием света освободившиеся электроны остаются в веществе (металле, полупроводнике), повышая его электро­проводность, то фотоэффект называют внутренним. К датчикам с внутренним фотоэффектом относятся фотосопротивления (рис 13). Такие датчики изготовляют путем нанесения тонкого слоя 2 селена или сернистого талия на стеклянную пластину 3. На поверхности нанесенного слоя находятся электроды 1 для подведения напряжения. При освеще­нии световым потоком электрическое сопротивление полупроводника резко па­дает, а электропроводность повышается. Чувствительность фотосопротивления очень велика. Они имеют простую конструкцию и малые габаритные размеры, долговечны и надежны в работе. Фотосопротивления находят большое применение в системах автоматического управления работой дозаторов, ведения планировоч­ных строительных машин по лучу, а также в элементах следящих систем.

Рис. 13. Схема фотосопротивления

Датчики с внешним фотоэффектом, называемые фотоэлементами, используют способность металлов испускать поток электронов (фототок) под действием света. Фотоэлемент представля­ет собой стеклянный баллон 1 (рис. 14), внутри которого помещен анод 2 (в виде проволочного кольца) и катод 3 (тонкий слой цезия или сурьмы, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона). Между фототоком и световым потоком в фотоэлементе существует прямо пропорциональная зависимость.

Рис. 14. Схема включения фотоэлемента в электрическую цепь

Датчики с вентильным фотоэффектом, у которых фото­элементы выполняют вакуумными и газо­наполненными, не требуют источника элект­рического тока: при освещении светочув­ствительный слой создает электродвижу­щую силу, величина которой пропорциональна степени освещения, т.е. электроны из слоя освещенного вещества переходят в слой другого неосвещенного вещества.

Фотоэлементы с вентильным (запи­рающим) слоем применяются в совре­менной автоматике при построении схем автоматического счета изделий и в других сложных схемах.

Радиоактивные датчики. В устройстве радиоактивных датчиков использо­вана способность радиоактивных лучей в определенной степени проникать в ис­следуемый материал или контролируемый объект. Радиоактивный датчик состоит из источника излучения и прием­ника – индуктора. Источником излуче­ния обычно являются изотопы с боль­шим периодом полураспада, например, кобальт. Преобразование энергии излуче­ния в электрические сигналы произво­дится обычно при помощи счетчика Гей­гера – Мюллера.

Радиоактивные датчики используют для автоматического контроля и регулирования степени заполнения бункера, приготовления и уплотнения бетонной смеси, контроля влажности материалов.

Акустические датчики. В устройст­ве акустических датчиков использован принцип измерения величины затухания упругих колебаний или времени прохож­дения ими определенного участка пути в измеряемой среде. Наибольшее распрост­ранение получили датчики, у которых акустические колебания повышенной ча­стоты (ультразвуковые) преобразуются в электрическую энергию. При прохождении через вещества с различными свойствами или размерами ультразвук ослабляется, что сказывается на величине напряжения в приемнике.

Ультразвуковые датчики применяют при контроле качества изделий из метал­лов, железобетона и т. п. К акустическим датчикам относится микрофон.

Вращающиеся трансформаторы. Вра­щающимся трансформатором (ВТ) назы­вают индукционную электрическую маши­ну, служащую для получения выходного напряжения в виде вполне определенной функции от угла поворота ротора.

Конструктивно вращающийся транс­форматор состоит из статоpa и ротора, которые набираются из листов электро­технической стали. В пазах статора и ро­тора укладывается по две взаимнопер­пендикулярные обмотки (рис. 15).

Рис. 15. Электрическая схема вращающегося трансформатора

Ос­новным свойством ВТ является то, что взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора при повороте изменя­ется с большой степенью точности по закону синуса или косинуса. Если, напри­мер, ротор ВТ повернуть на угол α, то э. д. с., наводимые в обмотках ротора, будут пропорциональны синусу и косину­су угла поворота ротора:

; (7)

, (8)

где Е_mах - максимальное значение э. д. с. в обмотке ротора (при совпадении осей обмо­ток ротора и статора), В.

Максимальное значение э. д. с. в об­мотке ротора

, (9)

где U – напряжение возбуждения, Вт; ω_p – ­число витков в обмотках ротора; ω_с - число витков в обмотках статора; К – коэффици­ент трансформации.

В общем виде напряжения, снимае­мые с синусной и косинусной обмоток вращающегося трансформатора, определяются следующим образом:

; (10)

. (11)

По назначению вращающиеся транс­форматоры в схемах автоматики и вычислительной техники подразделяются на синусно – косинусные (СКВТ), линейные (ЛВТ), построительные (ПВТ), масштабные (МВТ) и фазовращатели. По характе­ру токосъема ВТ подразделяют на контак­тные и бесконтактные. У контактных ВТ токосъем с ротора осуществляется либо с помощью колец и щеток, либо с помощью спиральных пружин; у бесконтактных БВТ - за счет дополнительного трансфор­матора ротора.

Вращающиеся трансформаторы отли­чаются высокой точностью и надежностью. ВТ и БВТ применяются в автоматике как датчики угловых величин, а также функциональные элементы аналоговых счетно-решающих устройств, как чувствительные элементы датчиков для автоматизации технологических процессов, строительных машин и механизмов. Кро­ме того, ВТ в системах автоматизации применяются в качестве сельсин – датчиков и сельсин – приемников.