ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ

Общие сведения. Системы автоматики состоят из ряда связанных между собой элементов, выполняющих определенные функции и обеспечивающих в комплексе весь процесс управления: получение первичной информации, усиление сигналов информации и преоб­разование их в управляющие сигналы, воздействие на исполни­тельные механизмы.

В соответствии с выполняемыми функциями все элементы, со­ставляющие автоматические системы, классифицируются на три самостоятельные группы:

а) измерительная, представляющая собой различного типа датчики, информирующие о достижении определенного значения контролируемого параметра;

б) преобразовательная, служащая для усиления информацион­ного сигнала и преобразования его в другой, удобный для управ­ления;

в) исполнительная, включающая в себя комплекс механизмов, непосредственно осуществляющих управление.

Все элементы любой группы имеют вход и выход. На вход по­ступает информация, форма которой преобразуется в другую, не­обходимую для дальнейшего движения и воздействия. Входная величина элемента обозначается через X, а выходная — через У.

Входной величиной элемента могут быть мгновенные значения физических величин (скорости, ускорения, давления, температуры, перемещения, освещенности, тока, напряжения и т. д.), амплитуд­ные значения синусоидальных или импульсных электрических ве­личин (тока или напряжения), частота физических величин и т. д.

Выходной величиной может быть электрический сигнал, раз­личный по величине и характеру.

Входную величину обычно называют входным сигналом, а вы­ходную — выходным сигналом.

Элементы, как и системы, могут работать в различных режи­мах.

Режим работы элемента (системы) при постоянных во време­ни входной и выходной величинах называют установившимся или статическим режимом. В установившемся режиме X(t) = const и Y(t)=const.

Режим работы элемента при переменных во времени входной и выходной (или одной из них) величин называют динамическим.

Элемент представляет собой самостоятельное конструктивное исполнение, выполняющее определенные функции. Элементом мо­жет быть, например, резистор, конденсатор, трансформатор и т. д. Элементы могут отличаться друг от друга физической природой, принципом действия, схемой включения, конструкцией и т. д. Все элементы автоматики различают по физическим основам их дей­ствия (свойствам). Свойства элемента определяются рядом харак­теристик и параметров. Под характеристикой понимают зависи­мость одной величины от другой, а под параметром — величину, характеризующую некоторое существенное свойство элемента.

Статические параметры и характеристики

Если известны те или иные показатели элемента, то можно оце­нить свойство этого элемента. В автоматике и телемеханике свой­ства элементов оцениваются разными показателями, связанными с входными и выходными величинами.

Функциональная зависимость выходной величины Y от входной X, выраженная математически или графически, называется стати­ческой характеристикой элемента Y=f(X).

Элементы, имеющие не зависящие от времени параметры и ли­нейные статические характеристики, называются линейными, а имеющие нелинейные характеристики — нелинейными элементами.

По статической характеристике можно определить вид элемен­та (датчик, реле). Так, например, если статическая характеристи­ка элемента непрерывна, т. е. величина Y находится в определенной непрерывной зависимости от величины X (рис. 5.1), то такой элемент называют источником первичной информации или датчи­ком.

Если статическая характеристика элемента изменяется скачком, т. е. практически осуществляется включение или отключение при достижении входной величиной Х определенных, заранее установленных значений, то такой элемент называется реле (рис. 5.2).

В зависимости от природы контролируемой входной величины X реле называются электрическими, тепловыми, оптическими. По наименованию входной величины X реле имеет уточняющий тер­мин: реле уровня, реле скорости, реле тока, реле напряжения и т. д.

Как датчики, так и реле являются основными элементами ав­томатики. Они являются основными и обязательными элементами .: воспринимающих блоков (устройств). Их используют также и в промежуточных, и в исполнительных блоках автоматических си­стем. Элементы для конкретных автоматических систем выбирают по ряду показателей, их характеризующих,— коэффициенту пере­дачи, порогу чувствительности, погрешности.

Коэффициент передачи элемента представляет собой отношение » выходной величины элемента Y к входной величине X, т. е. K=Y/X.

У элементов с линейной статической характеристикой коэффи­циент передачи — величина постоянная, а у элементов с нелиней­ной — переменная, зависящая от X. Если входная и выходная ве­личины элемента имеют одинаковую физическую природу, т. е. одинаковые размерности, то коэффициент передачи размерности не имеет и его называют коэффициентом усиления. При разных размерностях входной и выходной величин коэффициент передачи элемента имеет размерность. Применительно к датчику коэффи­циент передачи называют также чувствительностью. Чем больше К, тем больше выходной сигнал элемента при том же изменении входной величины и тем меньше нужно будет усиливать выходной сигнал до требуемого значения.

Порог чувствительности — это наименьшее (по абсолютному значению) значение входного сигнала, способное вызвать измене­ние выходного сигнала. Интервал между значением входного сиг­нала, не оказывающего воздействия на значение выходного сиг­нала, и значением входного сигнала, оказывающего воздействие на значение выходного сигнала, называется зоной нечувствитель­ности—. Чем больше, тем хуже элемент. Например, у электродвигателя порог чувствительности равен напряжению трогания двигателя.

Погрешность элемента появляется из-за неточной тарировки: или градуировки (вследствие разброса параметров) элементов в процессе их изготовления (в пределах установленных допусков). В результате погрешности происходит отклонение характеристики элемента от заданной «идеальной» статической характеристики. Погрешность элемента может также возникнуть в результате изменения его внутренних свойств (старение, износ) или внешних факторов (воздействие температуры, влажности, питающего напряжения). 'j

Различают абсолютную, относительную и приведенную погреш­ности. Под абсолютной погрешностью элемента понимают разность между полученным Y_п и действительным Y значениями выходной величины, т. е..

Действительное номинальное значение выходной величины — это идеальное значение выходной величины при отсутствии по­грешности.

Абсолютная погрешность имеет размерности выходной величи­ны. Она может быть положительной и отрицательной.

Относительная погрешность дает более полное представление о нестабильности статической характеристики. Она представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному зна­чению выходной величины элемента, выраженной в относительных единицах или процентах:

,

где Δ — абсолютная погрешность; Y — действительное значение выходной величины элемента.

По мере уменьшения номинального значения выходной величи­ны при неизменном значении абсолютной погрешности относитель­ная погрешность увеличивается.

Приведенная погрешность чаще всего характеризует элементы автоматики. Под приведенной погрешностью понимают отношение абсолютной погрешности к разности предельных значений выход­ной величины, выраженной в относительных единицах или процен­тах, т. е.

где Y_макс и Y_мин — максимальное и минимальное значения выход­ной величины элемента; А— абсолютная погрешность.

При определении погрешности элемента выходную величину измеряют несколько раз, затем определяют среднее арифметиче­ское выходной величины, которое принимается за тарировочное значение. Выбирают наибольшую разность между измеренным и тарировочным значениями Δ _макс. Далее по формуле находят по­грешность элемента:

,

где — разность между измеренным и тарировочным значе­ниями; Y_мин — значение выходной величины элемента; и — погрешности (приведенные) образцовых приборов, используемых для измерения входной и выходной величин элемента при тари­ровке.

Погрешность, которая возникает при нормальных условиях эксплуатации, называется основной погрешностью. Условия экс­плуатации элемента не всегда совпадают с нормальными, поэтому к основной погрешности элемента Добавляется погрешность, на­зываемая дополнительной.

Динамические параметры и характеристики

В реальных системах автоматики сигналы от элементов, как пра­вило, бывают непостоянными. В большинстве случаев они меня­ются во времени. Для элементов, составляющих системы автома­тики, основным режимом работы является режим, при котором входная и выходная величины не остаются постоянными. Такой режим называется динамическим.

Для оценки работы элемента в динамическом режиме исполь­зуются динамические характеристики и параметры.

Процесс перехода элемента из одного установившегося состоя­ния в другое называют переходным процессом. Так как во время переходного процесса Y изменяется, то переходный процесс, следовательно, является частным случаем динамического ре­жима.

Переходный процесс характеризуется переходной характери­стикой. Под переходной характеристикой понимают зависимость выходной величины от времени Y = f(t) при скачкообразном изменении входной величины. Реакция большинства элементов на скачкообразный входной сигнал (рис. 5.3,а), т. е. их переходная характеристика (рис. 5.3, б), представляет собой нарастаю­щую экспоненту.

Время от начала экспонен­циального изменения выходной величины до момента, когда она достигает 63% (²/з) уста­новившегося значения выход­ной величины, называется по­стоянной времени элемента τ.

Чем меньше τ, тем круче бу­дет переходная характеристи­ка, тем меньше длительность переходного процесса и тем меньше инерционность элемен­та. Динамические свойства эле­мента принято оценивать по его реакции на скачкообразное изменение входного сигнала. При этом переходный процесс, назы­ваемый переходной характеристикой, определяется только свойст­вами элемента. До подачи скачкообразного сигнала на вход эле­мент находится в одном установившемся состоянии (режиме), пос­ле подачи скачка и окончания* изменений выходной величины эле­мент будет находиться в другом установившемся состоянии. Таким образом, переходная характеристика позволяет выявить и оценить инерционность элемента.

Разные по функциональному назначению элементы имеют не­одинаковые динамические свойства, обусловленные разной инер­ционностью элементов, которая проявляется в том, что изменение выходной величины не повторяет мгновенно изменений входной величины, а происходит с некоторым запаздыванием во времени. Например, при скачкообразном изменении входной величины X за счет инерционности элемента его выходная величина Y достиг­нет нового установившегося значения не сразу, а только после окончания переходного процесса.

Кривая зависимости Y=f(t) при скачкообразном изменении входного сигнала является графической интерпретацией решения дифференциального уравнения элемента, которым описывается поведение элемента при переходном процессе, где входные и вы­ходные сигналы являются функциями времени.

Различные элементы автоматики имеют различные графики пе­реходных процессов (рис. 5.4), так как поведение элементов при воздействии на них скачкообразных входных сигналов описывает­ся различными дифференциальными уравнениями.

На рис. 5.4, а показан переходный процесс без запаздывания, на рис. 5.4, б — переходный процесс элементов, обладающих инер­цией. Степень инерционности подобных элементов оценивается по­стоянной времени т. Это время определяется расстоянием по оси абсцисс от начала координат

до точки пересечения а касательной к кривой переходного процесса в начале координат с установив­шимся значением выходного сигнала Y_уст. На рис. 5.4, в показан колебательно-затухающий переходный процесс, цри котором вы­ходная величина колеблется около ее установившегося значения Yуст с постоянной частотой f_о=1/τ_о, где τ_о —период колебаний с непрерывно убывающей амплитудой. Время t_уст в течение которого выходной сигнал достигает значения, отличающегося на ΔY от установившегося значения выходной величины Y, называется длительностью переходного процесса. Переходный процесс, показанный на рис. 5.4, в, называется периодическим в отличие от апериодического переходного процесса, показанного на рис. 5.4, б. Выходной сигнал, показанный на рис. 5.4, г, изменяется периоди­чески, при этом выходной сигнал Y сдвинут по фазе на угол φ.

В любой произвольный момент времени кривые X и Y имеют разность ординат. Эта разность называется динамической погрешностью элемента. У большинства элементов абсо­лютная динамическая погрешность после скачкообразного воздей­ствия с течением времени не остается постоянной, а стремится к постоянному достаточно малому установившемуся значению.

Как установить закономерность динамического режима работы элементов и описать математически характеристику переходного процесса? Метод анализа переходного процесса целесообразно рассмотреть на наиболее часто встречающихся элементах, которые описываются дифференциальным уравнением вида

(5.1)

где τ — постоянная времени; К — коэффициент пропорциональ­ности; х — величина входного сигнала.

В установившемся режиме Y = const и, следовательно, dY/dX=0.

С учетом этого из (5.1) получим уравнение статической харак­теристики такого элемента

Y=К'х. (5.2)

Пусть в момент времени t=0 входная величина изменилась скачкообразно от Х=0 до Х=Х, где Х— величина входного скач­кообразного сигнала (см. рис. 5.3). При Х=0 и Х=Х из уравне­ния (5.2) получаем, что установившееся значение выходной вели­чины до подачи скачкообразного сигнала было Y=0, а после по­дачи должно быть

. (5.3)

При t>0 X = x =const. С учетом уравнения (5.3) разделим пе­ременные dY/(Y—Y₀) = -dt/ τ. Проинтегрируем данное выражение

ln (Y— Y₀) —In С = -dt/τ или

(5.4)

где С — постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий, т. е. при t = 0 и

Y =0. Подставив эти значения t и Y в (5.4), найдем C = -Y₀. Тогда выражение (5.4) примет вид

. (5.5)

Уравнение (5.5) — уравнение нарастающей, экспоненты и есть уравнение переходной характеристики для элементов, описываемых' дифференциальным уравнением вида (5.1).

ДАТЧИКИ - ИСТОЧНИКИ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Общие сведения.В системах автоматики датчик предназначен для преобразования контролируемой или регулируемой величины (па­раметра контролируемого объекта) в выходной сигнал, более удоб­ный для дальнейшего движения информации, поэтому датчик не­редко называют преобразователем, хотя этот термин является слишком общим, так как любой элемент автоматики и телемеха­ники, имея свой вход и выход, является в той или иной мере пре­образователем.

В простейшем случае датчик осуществляет только одно преоб­разование Y=f(X), как, например, силы в перемещение (в пру­жине), или температуры в электродвижущую силу (в термоэле­менте) и т. п. Такой вид датчиков называют датчики с непосред­ственным преобразованием. Однако в ряде случаев не удается непосредственно оказать воздействие входной величины X на не­обходимую выходную величину Y (если такая связь неудобна или она не дает желаемых качеств). В этом случае осуществляют по­следовательные преобразования: входной величиной X воздейст­вуют на промежуточную Z, а величиной Z — на необходимую вы­ходную величину Y:

В результате получается функция, связывающая X с Y:

Число таких последовательных преобразований может быть и больше двух, и в общем случае функциональная связь Y с X мо­жет проходить через ряд промежуточных величин:

Датчики, имеющие такие зависимости, называются датчиками с последовательным преобразованием. Входная часть таких дат­чиков называется воспринимающим органом, выходная — исполни­тельным органом. Все остальные части называются промежуточ­ными органами. В датчике с двумя преобразованиями промежу­точные органы отсутствуют, в нем имеются только воспринимаю­щий и исполнительный органы. Нередко один и тот же конструк­тивный элемент выполняет функции нескольких органов. Напри­мер, упругая мембрана выполняет функцию воспринимающего органа (преобразование давления в силу) и функцию исполнитель­ного органа (преобразование силы в перемещение).

Классификация датчиков. Исключительное многообразие дат­чиков, применяемых в современной автоматике, вызывает необхо­димость их классификации. В настоящее время известны следующие типы датчиков, которые наиболее целесообразно классифи­цировать по входной величине, практически соответствующей принципу действия:

Ознакомление со всеми этими датчиками возможно только в специальных работах, посвященных датчикам, В данном учебнике рассматриваются наиболее распространенные датчики, у которых хотя бы одна из величин (входная или выходная) — электриче­ская.

Электрические датчики в зависимости от принципа производи­мого ими преобразования делятся на два типа — модуляторы и генераторы.

У модуляторов энергия входа воздействует на вспомогатель­ную электрическую цепь, изменяя ее параметры и модулируя зна­чение и характер изменения тока или напряжения от постороннего источника энергии. Благодаря этому одновременно усиливается сигнал, поступивший на вход датчика. Наличие постороннего источника энергии является обязательным условием ра­боты датчиков-модуляторов (рис. 6.1, а).

Модуляция осуществляется с помощью изменения одного из трех параметров — омического сопротивления, индуктивности и емкости. В соответствии с этим различают группы омических, индуктивных и емкостных дат­чиков.

Каждая из этих групп может делиться на подгруппы. Так, на­иболее обширная группа омических датчиков может быть разде­лена на подгруппы: тензорезисторы, потенциометры, терморезисто­ры, фоторезисторы. Ко второй подгруппе относятся варианты индуктивных датчиков, магнитоупругие и трансформаторные. Третья подгруппа объединяет различного типа емкостные датчики.

Второй тип — датчики-генераторы являются просто преобразо­вателями (рис. 6.1,б). Они основаны на возникновении электродвижущей силы под влиянием различных процессов, связанных с контролируемой величиной. Возникновение такой электродвижу­щей силы может происходить, например, вследствие электромаг­нитной индукции, термоэлектричества, пьезоэлектричества, фото­электричества и других явлений, вызывающих разделение электри­ческих зарядов. Соответственно этим явлениям генераторные датчики

подразделяются на индукционные, термоэлектрические, пьезо­электрические и фотоэлектрические.

Возможны еще группы электротехнических, электростатических датчиков, датчиков Холла и др. В результате получается общая схема классификации основных датчиков по выходной электриче­ской величине, представленная на рис. 6.2.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Общие сведения.Электрические датчики наиболее распространены как в автоматике, так и в телемеханике. С помощью электрических Датчиков получают наиболее простые, удобные и надежные формы связи задающих и исполнительных систем автоматического регули­рования. Электрические датчики используются практически во всех отраслях современной техники. Большинство электрических датчи­ков обладает универсальностью и их можно применять для реше­ния различных технических задач.

Датчики-модуляторы

Омические датчики.К датчикам с изменяющимся омическим сопротивлением относятся тензометрические датчики, которые применяются для измерения упругих деформаций (измерения растяжения или сжатия тел), а также для измерения крутящих и изгибающих моментов, возникающих на поверхности различных механических деталей при их механической нагрузке. Значение измеренной деформации позволяет с помощью известных формул теории упругости и упругих констант (постоянных значений) материала деталей вычислять механические напряжения в них и судить о целесообразности их конструкции. Тензодатчйки, используемые в автоматическом контроле, дают возможность следить за деформаци­ями и напряжениями при статических и динамических нагрузках.

Основным элементом проволочного тензодатчика является константановая проволока диаметром 0,015—0,05 мм, сложенная в вие петлеобразной решетки (спирали) между двумя склеенными полосками тон­кой бумаги или пленки (рис. 7.1). Дат­чик через специальную бумагу 2 при­клеивается к детали 3, деформацию ко­торой нужно измерить. При действии деформации, например при растяжении, как показано на рис. 7.1 сплошной стрелкой, вместе с деталью будет растягиваться и проволока. При этом ее длина l увеличит­ся, а сечение 5 уменьшится. За счет это­го сопротивление проволоки R=ρl/S уве­личивается. Это сопротивление является выходной величиной датчика.

Если деформация будет действовать, как показано на рис. 7.1 пунктирной стрелкой, то проволока на изгибах еще больше будет изгибаться. При этом ни длина, ни толщина проволоки практически не изменяются. Следовательно, не будет изменяться сопротивление датчика. Деформацию такого направления датчик не измеряет.

Относительное изменение сопротивления тензодатчика

,

где К — коэффициент относительной чувствительности (в пределах упругой деформаций проволоки величина постоянная); l — начальная длина деформируемого участка проволоки.

Для тензодатчиков, выпускаемых промышленностью, используется константановая или фехралевая проволока. Тёнзочувствительность таких датчиков может иметь значения от 1,7 до 2,9, conpoтивление составляет 50—2000 Ом, база — 5—30 мм, номинальный рабочий ток при наклейке на металлические детали — 30 мА, допустимые относительные деформации — не более 0,3% (при большей деформации проволока оборвется), максимальная рабочая температура составляет 500°С (для датчиков с пленочной осно­вой). Достоинство проволочных тензодатчиков — простота конст­рукции, практически безынерционность, недостаток — малая чувст­вительность (при работе сопротивление тензодатчика изменяется не более чем на 0,3%). С целью исключения зависимости тензодат­чика от температуры применяют мостовые схемы с двумя тензодатчиками в смежных плечах моста, из которых один не подвергается дефор­мации, но находится в тех же температурных условиях. Это достигается пер­пендикулярным расположением обоих датчиков. Тогда температурные изменения сопротивления уравновешивают­ся и баланс схемы сохраняется (рис. 7.2).

Измерительный или регистрацион­ный прибор обычно включается через усилитель. Погрешность измерений с применением проволочных тензодатчи­ков находится в пределах 1+0,5%.

Разработаны также полупроводни­ковые тензодатчики, у которых чувст­вительность в 50—60 раз выше, чем у проволочных. Их недостатки — малая механическая прочность, вли­яние освещенности, разброс параметров у различных образцов.

Потенциометрические датчики применяются для измерения угловых или линейных перемещений и преобразования этой величины в изменение сопротивления. Конструктивно датчики такого типа представляют собой каркас 1 прямоугольной или кольцевой формы, на который намотана в один ряд тонкая проволока (рис. 7.3, а). По виткам проволоки 4 скользит щетка 5, называемая движком потенциометра, которая механически связана с объектом, перемещение которого нужно измерить.

От концов намотки и от движка сделаны электрические выводы 1, 2, 3, с помощью которых датчик включают в схему. При переме­щении движка потенциометра от вывода 1 к выводу 2 щетка пере­ходит от одного витка намотки на другой. При этом длина прово­локи между движком и выводом 1 увеличивается, а между движ­ком и выводом 2 уменьшается. За счет этого сопротивление между выводами 3 и 1 увеличивается от 0 до R, а между выводами 2 и 3 — уменьшается от R до 0, где R — сопротивление проволоки, на­мотанной на каркас. По изменению этих сопротивлений можно определить перемещение 1. Аналогично выполнены потенциометры (рис. 7.3, б, в).

Сопротивление между движком и одним из выводов (например, 5) намотки называют выходным сопротивлением датчика R_вых. При перемещении щетки в пределах одного витка R_вых не изменяется, что обусловливает зоны нечувствительности, а при переходе щет­ки с одного витка на другой R_вых изменяется скачком. Для умень­шения скачков и зон нечувствительности при намотке используют тонкий провод (диаметром 0,03—0,05 мм).

С целью снижения влияния температуры на R_вых применяют провод с малым температурным коэффициентом сопротивления (нихром, константен, манганин). Наиболее часто применяют ли­нейные потенциометры, у которых сечение каркаса по всей длине одинаково, а намотка равномерная. За счет этого выходное сопротивление датчика R_вых

линейно зависит от перемещения l, т. е. R_вых =Сl, где С — коэффициент пропорциональности (рис. 7.4).

Существует несколько вариантов включения потенциометрических датчиков (рис. 1.9, а, б). Питающее напряжение E (рис.7.5,а) подводится к выводам намотки (М—Н). Для линейного потенцио­метра выходное напряжение

.

Для удобства использования дайной формулы примем Е/R = K — коэффициент датчика.

При подключении к датчику нагрузки R_н из-за ее шунтирующе­го действия линейная зависимость выходного напряжения от пе­ремещения движка потенциометра нарушается. Чтобы нарушение линейности было незначительным, должно быть >>R (в 20 раз и более).

Применяются также потенциометрические датчики с выводом от средней точки (рис. 7.5, б). При перемещении движка в одну сто­рону от средней точки на выходе датчика появляется напряжение положительной полярности, а при перемещении в другую сторону от средней точки — отрицательной полярности. По полярности вы­ходного сигнала можно судить о направлении перемещения.

Достоинство потенциометрического датчика: высокая точность преобразования, простота конструкции, возможность питания по­стоянным и переменным током, безынерционность.

Термометрические датчики (термисторы), или термо­резисторы, предназначены для измерения температуры путем пре­образования измеряемого сигнала в изменение активного сопротив­ления. Термисторы бывают металлические и полупроводниковые.

Металлические термисторы изготовляются из чистых металлов с большим температурным коэффициентом сопротивления (медь, платина). Диапазон измеряемых температур платиновых термисторов —от —200 до 600° С, медных —от —50 до 150° С. Точность из­мерения платиновых термисторов ±0,1ºС, медных—до ±1 ºС. При более высоких температурах термисторы не применяются, так как в диапазоне высоких температур они имеют недостаточную точ­ность и сильно окисляются.

Зависимость сопротивления металлических термисторов почти линейная:

где α — температурный коэффициент сопротивления; R₀ — сопро­тивление при t₀, Ом; t₀ — начальная температура, °С; t - измеряе­мая температура, °С.

Линейность статической характеристики в других диапазонах температур нарушается.

В зависимости от назначения термисторы имеют различную конструкцию. Они изготовляются в виде нити, спирали, катушки и т: д. В последнее время термисторы нашли широкое применение для температурного контроля обмоток различных исполнительных механизмов (электродвигателей, катушек и т. д.).

Термисторы имеют один существенный недостаток: они облада­ют большой инерционностью. Постоянная времени термисторов из­меняется от единиц до десятков секунд и зависит от диаметра про­вода.

Полупроводниковые термисторы изготовляются из окиси раз­личных металлов (марганца, меди, никеля, титана и др.). Они име­ют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, что означает, что с увеличением температуры сопротивление полупро­водника уменьшается. Наиболее широко полупроводниковые термисторы применяют в диапазоне температур от — 100 до 120 ºС. В сравнении с металлическими полупроводниковые термисторы o6ладают большей чувствительностью и меньшей инерционностью. У них высокое внутреннее сопротивление, что позволяет не учиты­вать сопротивление соединительных проводов. Недостатками полупроводниковых термисторов являются узкий диапазон температур, нелинейность статической характеристики и разброс параметров между отдельными экземплярами. Термисторы нашли широкое применение в измерительной технике.

Термоанемометр — прибор для измерения скорости газа — пред­ставляет собой термосопротивление, изготовленное из платиновой нити, укрепленной между двумя токопроводящими электродами (рис. 7.6), к которым подводится постоянный ток. Нагрев нити током будет зависеть от условий ее охлаждения, а охлаждение, в свою очередь, будет

зависеть от скорости движения окружающего нить газа. Статическая характеристика R = f(v) криволинейна и снима­ется экспериментально.

Фоторезисторные датчики, или фотосопротивления, нашли широкое применение в системах автоматики для контроля с любым видом передаваемой информации: сигнализации, измере­ния и регистрации.

Фотосопротивления — это полупроводники, у которых число свободных электронов и электропроводность увеличиваются при освещении. В настоящее время для фотосопротивлений приме­няется сернистый свинец (PbS), сернистый висмут (Bi₂S₂) и сер­нистый кадмий (CdS). Конструкция фотосопротивлений весьма проста. Тонкий слой полупроводникового _v материала наносится на прозрачную пластинку, к которой прикрепляются электроды, осу­ществляющие контакт с полупроводниковым слоем. При подаче к электродам электрического напряжения через полупроводник пой­дет ток, сила которого зависит от освещенности светочувствитель­ной поверхности. Зависимость тока от освещенности называется световой характеристикой фотосопротивления.

Ионные датчики представляют разнообразную подгруппу датчиков, у которых входная величина функционально связана с током ионной проводимости, а следовательно, и с омическим сопротивлением, которое обусловлено наличием ионов. С током ионной проводимости приходится преимущественно встречаться в жидких и газообразных средах.

Примером электролитического датчика является концентратомер, основанный на зависимости сопротивления г между двумя электродами от концентрации раствора к (рис. 7.7). С увеличени­ем концентрации число ионов увеличивается, что и. вызывает уве­личение проводимости.

На принципе действия ионных датчиков разработаны и приме­няются устройства с ядерными излучениями для измерения толщи­ны, плотности и массы материалов, толщины покрытий, уровней самых различных материалов вплоть до расплавленных металлов, расхода жидкостей и газов, газового анализа и др.

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики нашли ши­рокое применение в системах автоматики для измерения линейно­го или углового перемещения. Принцип действия их основан на из­менении индуктивности катушки с магнитопроводом при перемеще­нии якоря. Простой принцип действия позволил создать целый ряд конструкций датчика (рис. 7.8). Индуктивный датчик с подвижным якорем (рис. 7.8, а) представляет собой катушку 2 с ферромагнит­ным сердечником и с подвижным якорем 1. При перемещении яко­ря 1 датчика воздушный зазор изменяется, а следовательно, изме­няется и индуктивность катушки 2. Ток в катушке датчика

(7.1)

где U —напряжение питания; Z — полное сопротивление катушки; R — активное сопротивление катушки; x_L = 2π/L — индуктивное со­противление катушки; / — частота напряжения питания; L — ин­дуктивность катушки, зависящая от воздушного зазора.

Как видно из (7.1), при постоянных U, R и f ток катушки за­висит только от ее индуктивности, а следовательно, от воздушного зазора. Таким образом, ток в катушке датчика пропорционален воздушному зазору, т. е.

I = KS,

где К — коэффициент пропорциональности или чувствительности датчика.

Реальная характеристика индуктивного датчика отличается от идеальной (показана пунктиром на рис. 7.8, в) наличием некото­рой нелинейности.

Индуктивный датчик с подвижным сердечником (рис. 7.8, б) представляет собой катушку с подвижным ферромагнитным сер­дечником 1. От средней точки обмотки сделан вывод, который поз­воляет создать измерительную схему. Когда сердечник находится в центре катушки, то в силу симметрии L₁ = L₂. При перемещении сердечника, например вправо, индуктивность правой половины ка­тушки L₂ увеличивается, а левой L₁ уменьшается. По изменению этих индуктивностей можно измерить значение перемещения сер­дечника. Эти датчики применяют для измерения значительных пе­ремещений — до 50 мм. Статическая характеристика линейная.

Магнитоупругие датчики относятся к подгруппе индук­тивных датчиков, так как принцип действия их основан на свой­стве ферромагнитных материалов изменять магнитную проницае­мость при упругих деформациях, вызываемых механической нагруз­кой. Индуктивность же катушки прямо пропорциональна магнитной проницаемости магнитопровода катушки. Таким образом, по­лучается цепь последовательных преобразований: механическая си­ла — механическая напряженность — магнитная проницаемость — индуктивность. Магнитоупругие датчики применяются для измерения больших усилий.

Трансформаторные датчики имеют на своем выходе взаимоиндуктивность, и поэтому их также можно отнести к под­группе индуктивных датчиков. Они отличаются от индуктивных датчиков тем, что используют на выходе явление электромагнит­ной индукции, однако это явле­ние носит вспомогательный ха­рактер и используется для моду­лирования изменений напряже­ний на выходе. Наиболее распро­страненным типом трансформа­торного датчика, получившим широкое применение в телемеха­нике для передачи на расстояние показаний различных приборов, является датчик с поворотной катушкой, называемой также ин­дукционным преобразователем (рис. 7.9). Катушка датчика изготовлена в виде рамки, пронизы­ваемой переменным магнитным потоком, который создается об­моткой возбуждения, подключенной к источнику стабилизирован­ного напряжения стандартной частоты. При повороте катушки меняется значение пронизывающего ее магнитного потока, а, сле­довательно, и индуктированной ЭДС. С помощью полюсных на­конечников можно получить прямолинейную статическую харак­теристику при повороте рамки на ±70° от нейтрального положения. Соединяя механической связью ось рамки с осью стрелки показывающего прибора, можно преобразовать показания прибо­ра в электрическое напряжение.

Достоинством всей подгруппы индуктивных датчиков являются: отсутствие скользящих контактов, высокая чувствительность и сравнительная простота конструкции, а недостатки — возможность работы только на переменном токе, трудность получения нулевого значения напряжения на выходе датчика, необходимость предохра­нения от помех. Динамические свойства датчиков зависят от инер­ционности подвижных частей.

Емкостные датчики. Емкостные датчики предназначены для пре­образования измеряемой, неэлектрической величины в изменение емкости. Датчик представляет собой плоский конденсатор с изме­няемой емкостью.

Емкость плоского конденсатора

C = εS/d,

где ε — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами; S — площадь пластин; d — расстояние между пласти­нами.

Изменяя ε, S и d, можно получить три типа емкостных датчи­ков.

Емкостный датчик с переменным расстоянием между пластина­ми содержит две неподвижные пластины 1 и 2 и подвижную плас­тину 3, которая механически связана с измеряемым объектом (рис. 7.10, а). Когда d₁ = d₂, то C₁ = C₂. При перемещении подвижной пластины 3 влево, d₁ уменьшается, a d₂ — увеличивается. Из-за это­го емкость

между пластинами1 и 3 увеличивается, а емкость меж­ду пластинами 2 и 3 уменьшается. По изменению этих емкостей можно измерить линейное перемещение объекта (практически до 0,1 мм). Статической характеристикой такого датчика является ги­пербола, что не очень удобно для измерения перемещения. Приме­няя такой тип датчика, следует учитывать не емкость, а реактив­ное емкостное сопротивление

X_c=1/ (ωC)=d/(ωεS),

которое прямо пропорционально расстоянию между пластинами, т. е. перемещению, и для него статическая характеристика будет прямолинейна (рис. 7.11).

Емкостный датчик с поворотными пластинами (рис. 7.10, б) представляет собой воздушный конденсатор, у которого одна груп­па пластин 1 неподвижна (обычно через одну пластину), а другая — может поворачиваться на некото­рый угол α. При α = 0 площадь перекры­тия пластин S (заштрихована) наиболь­шая, поэтому емкость С между подвиж­ными и неподвижными пластинами наи­большая. При повороте подвижных пла­стин на угол α площадь перекрытия и емкость датчика уменьшаются. Такие датчики применяются для измерения уг­лов поворота от 0 до 180°.

Емкостный датчик с переменной диэлектрической проницаемостью (рис. 7.10, в) представляет собой конденсатор с переменным диэлектриком. При разных величинах диэлектрической проницаемости воздуха ε₁ и пе­ремещаемого диэлектрика ε₂ образуются два параллельно соеди­ненных конденсатора, общая емкость которых

где b - ширина пластин.

Отсюда видно, что при перемещении диэлектрика, т. е. при из­менении уровня жидкости, изменяются перемещение h и емкость датчика С. По изменению емкости С определяют перемещение h. Такие датчики применяются для измерения уровня жидкости.

На принципе изменения диэлектрической проницаемости строят­ся также датчики для измерения влажности материалов, что позво­ляет автоматизировать это измерение, занимающее много времени при лабораторном его выполнении с помощью сушильных шкафов. Принцип действия датчика основан на влажности измеряемого ма­териала, влияющей на диэлектрическую проницаемость.

Достоинства емкостных датчиков: высокая чувствительность, простота, малая инерционность. Недостатки: сильное влияние воз­можных побочных емкостей и посторонних электрических полей (необходима экранировка), значительное влияние температуры (из­меняются размеры пластин) и влажности (изменяется е воздуха) окружающей среды.

Генераторные датчики

К группе генераторных датчиков можно отнести преобразователи различных видов энергии в электрическую. Наибольшее примене­ние в качестве датчиков находят индукционные, термоэлектриче­ские и пьезоэлектрические преобразователи.

Индукционные датчики.Принцип действия индукционных датчи­ков основан на законе электромагнитной индукции, дающем воз­можность непосредственного преобразования входной: измеряемой Величины в ЭДС без источника дополнительной энергии. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного то­ка, представляющие собой небольшие электромашинные генерато­ры, у которых выходное напряжение пропорционально угловой ско­рости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

Тахогенераторы постоянного тока бывают двух ти­пов: с возбуждением от постоянных магнитов и с электромагнит­ным возбуждением от независимого источника постоянного тока. Так как индуктированная электродвижущая сила пропорциональ­на не только скорости вращения, но и магнитному потоку:

,

то основным требованием к тахогенераторам является постоянст­во магнитного потока.

Тахогенераторы переменного тока также бывают двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные тахогенераторы имеют простую конструкцию и со­стоят из статора (наружной обмотки) и ротора, выполненного в виде постоянного магнита с несколькими полюсами (рис. 7.12). При вращении ротора в статоре индуктируется ЭДС, значение и частота которой определяются известными формулами:

Следовательно, с изменением скорости вращения вместе с ЭДС изменяется и частота. Это создает неудобство при использовании такого датчика в автоматических устройствах с индуктив­ностью и емкостью, так как при изменении скорости вра­щения будут изменяться пара­метры (индуктивное и емкост­ное сопротивления) нагрузки и самого тахогенератора, бла­годаря чему линейность ста­тической характеристики нару­шается. Это явление наклады­вает определенные ограниче­ния в применении синхронных тахогенераторов. Их применяют лишь в качестве индикаторов для непосредственного измере­ния скорости вращения.

Асинхронный тахогенератор нашел широкое применение в ав­томатических схемах управления, так как его частота не зависит от скорости вращения ротора, что создает линейность статической характеристики.

Конструктивно асинхронный тахогенератор представляет собой асинхронный двухфазный двигатель с полым ротором. Две обмотки статора сдвинуты на 90º и к одной из них подводится постоянное по амплитуде и частоте напряжение возбуждения, создающее маг­нитный поток Ф₁ (рис. 7.13). Этот поток никакого влияния на вторую обмотку при неподвижном роторе не оказывает, так как пер­пендикулярен ее магнитной оси, поэтому при неподвижном роторе вторая обмотка никакого напряжения создавать не будет. Но если ротор начнет вращаться, то его стенки будет пересекать поток Ф₁ и в них появятся токи, создающие магнитный поток Ф₂, уже направленный по магнитной оси второй катушки.

Так как поток Ф₁ изменяется по синусоиде, то и поток Ф₂ будет тоже синусоидаль­ным и будет наводить вследствие этого во второй обмотке индук­тированную ЭДС

где f — частота, определяемая только частотой напряжения возбуж­дения; К - коэффициент пропорциональности.

От скорости вращения зависит только поток Ф₂, создаваемый током в роторе, который зависит от потока Ф₁ и частоты враще­ния п:

,

Так как поток Ф₁ прямо пропорционален напряжению возбужде­ния, поддерживаемому постоянным, то

т. е. индуцированная во второй обмотке электродвижущая сила прямо пропорциональна скорости вращения ротора.

Термоэлектрические датчики предназначены для измерения температуры. Они состоят из двух термоэлектродов 1 и 2, изготов­ляющихся из разнородных проводников (рис. 7.14). Одни концы этих проводников сварены (спаяны), а дне других служат выходом датчика, откуда снимается выходное напряжение. Точка спая термоэлектродов помещается в область контролируемой температуры. Если температура свободных «холодных» концов термопары t₁ отличается от температуры горячего спаяU, то в силу термоэлектри­ческого эффекта в термоэлектродах возникает термо-ЭДС E₁, пропорциональная разности температур. Это можно объяснить тем, что энергия свободных электронов в различных металлах по-разному растет с ростом температуры. Если вдоль проводника существует перепад температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высо­кие энергии и скорости, чем на холод­ном, благодаря этому возникает движе­ние электронов от горячего конца к хо­лодному, разное в разных металлах. При наличии замкнутой цепи разное движе­ние электронов создает ток, который можно трактовать как результат возник­новения термоэлектродвижущей силы в горячем спае. За счет этой ЭДС появ­ляется выходное напряжение U_вых = E₁ = С(t₂ - t₁), где С — коэффициент пропорциональности, завися­щий от материала проводников термопары. Возникновение тер­мо-ЭДС позволяет термопару (термоэлемент) называть датчиком-генератором.

Статические характеристики большинства термопар нелиней­ные. Чаще всего используются следующие термопары: хромель — копель (до 600°С длительный нагрев); хромель — алюмель (до 1000°С); платина — платинородий (до 1300°С); вольфрам — мо­либден (до 2100°С). Термо-ЭДС при максимальной рабочей тем­пературе не превышает 10 — 50 мВ.

Все термопары обладают инерционностью. Постоянные времени термопар в зависимости от конструкции могут быть от десятых долей секунды до не­скольких сотен секунд.

Пьезоэлектрические датчики.Они применяются для получения элек­трических зарядов. Обра­зующихся на поверхно­сти некоторых кристал­лов при их сжатии. Эти датчики чаще всего из­готовляют из кварца. Та­кой датчик представляет

собой кварцевую пластину, на одной из сторон которой напыле­ны (или приклеены токопроводящим клеем) электроды, к кото­рым припаиваются вывода (рис. 7.15).

При сжатии кварцевой пластины силой Р на ее противополож­ных поверхностях, а следовательно, и на электродах в силу прямо­го пьезоэлектрического эффекта возникают электрические заряды.

Величина заряда пропорциональна сжимающей силе Р, т. е. Q =dP, где d — коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем.

При изменяющейся силе Р появляется выходное напряжение

,

где С_д — емкость датчика (конденсатора, образованного электро­дами и кварцевым диэлектриком); С_м — емкость монтажа.

Из этой формулы видно, что, зная выходное напряжение, мож­но определить силу Р. Если Р постоянна, то 0.

Пьезоэлектрические датчики безынерционны. Они используются для измерения сил, давления, вибрации и для других измерений, в которых прямо или косвенно проявляются силовые воздействия. Выходное напряжение пьезоэлектрических датчиков составляет от единиц милливольт до единиц вольт. Для усиления выходного на­пряжения пьезоэлектрического датчика необходимо применять уси­литель с очень большим входным сопротивлением.

Фотоэлектрические датчики, фотоэлектрические реле. К фото­электрическим датчикам генераторного типа относятся фотоэлементы с внешним фотоэффектом, которые в отличие от фо­тоэлементов с внутренним фотоэффектом (фотосопротивлений) под действием света выделяют свободные электроны. Этим создается разность потенциалов, возникает электрический ток, т. е. происхо­дит непосредственное преобразование света в электрическую вели­чину без модуляции энергии от постороннего источника. Конструк­тивно фотоэлементы генераторного типа бывают двух исполне­ний—вакуумные и полупроводниковые.

Вакуумные фотоэлементы вырабатывают сигнал (электрический ток) небольшой величины, и он не может непосредственно воздей­ствовать на исполнительный механизм. В этом случае совместно с вакуумным фотоэлементом применяют электронный усилитель.

Полупроводниковые фотоэлементы (фотодиод, фототранзистор) вырабатывают сигнал, величина которого в ряде случаев достаточ­на для непосредственного воздействия на измерительный прибор.

В настоящее время более широкое применение получили полу­проводниковые фотоэлементы, так как помимо большего по вели­чине вырабатываемого сигнала они имеют сравнительно с вакуум­ными меньшие габаритные размеры, больший срок службы, возмож­ность эксплуатации в местах, подверженных вибрации и ударам. Недостатком полупроводникового фотоэлемента является зависи­мость его характеристик от температуры окружающей среды (в ва­куумных фотоэлементах эта зависимость отсутствует).

Принципиальная схема варианта фотодатчика, имеющего ре­лейную характеристику, представлена на рис. 7.16. Если фотодиод Д не освещен, его внутреннее сопротивление велико, транзистор Т1 закрыт и реле P1 выключено. При освещении фотодиода внутрен­нее сопротивление его резко уменьшается и возникает ток в цепи: +Е_K — эмиттер — база транзистора — фотодиод Д1 - Е_к. Транзистор открывается, реле Р1 включается. При повторном затемнении фотодиода его внутреннее сопротивление опять резко увеличивает­ся и реле Р1 выключается. Диод Д2 предохраняет транзистор Т1 от пробоя.

Фотоэлектрические датчики генераторного типа нашли широкое применение в системах автоматического контроля: для измерения силы света различных источников, освещенности, фотометрирования ультрафиолетовой радиа­ции и т. д. Путем фотоэлектриче­ского измерения радиации, ярко­сти или цвета накаленного тела можно судить о его температуре. В данном случае имеется после­довательное преобразование тем­пературы в лучистую энергию и лучистой энергии в электриче­скую. Такие фотоэлектрические датчики называются также оптическими пирометрами. Фактически здесь сосредоточены два дат­чика: оптический и электрический. Оптический датчик относится к датчикам генераторного типа, так как преобразование теплоты в лучеиспускание происходит непосредственно, без вспомогатель­ного источника энергии.

Фотоэлектрические датчики, имеющие на выходе электрический ток, легко превращаются в фотоэлектрическое реле путем включе­ния в цепь этого тока электрического реле. В качестве реле исполь­зуются электромагнитные или бесконтактные. Особенно удобны для этой цели тиратроны, выполняющие одновременно функции усили­телей и реле. Фотоэлектрические реле получили также широкое применение в различных схемах автоматики — в сигнализации, бра­ковке, сортировке, счете, защите и т. д.

Датчики с промежуточным преобразованием

Это особая, но широко распространенная группа датчиков, приме­няемая в тех случаях, когда входную величину не удается непосред­ственно преобразовать в электрическую. В этом случае осуществ­ляется двукратное последовательное преобразование. Элемент, осу­ществляющий первое преобразование, называется чувствительным элементом. Наибольшее применение в этой группе нашли датчики давления и датчики линейных ускорений.

Датчики давленияпреобразуют давление жидкости или газа в электрическую величину. У многих датчиков чувствительный эле­мент преобразует давление в перемещение, которое затем преоб­разуется в электрический сигнал. В качестве чувствительных эле­ментов используют мембраны и сильфоны.

Мембрана представляет собой тонкую пластинку, которая укрепляется на конце трубопровода (рис. 7.17, а). Под действием давления жидкости или газа жесткий центр мембраны прогибается, перемещая, например, движок потенциометра. Это перемещение изменяет выходное сопротивление датчика.

Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную трубку из упругого материала (рис. 7.17, б). Под действием давления газа сильфон растягивается, перемещая, например, движок по­тенциометра. В результате изменяется выходное сопротивление датчика.

При измерении давления жидкостей применяется другая конст­руктивная схема сильфонного датчика (рис, 7.17, в). Жидкость под давлением р поступает в полость сильфона, который, сжимаясь, пе­ремещает движок потенциометра.

Датчики линейных ускорений (акселерометры). Акселерометры преобразуют линейное ускорение в электрическую величину. Один из вариантов акселерометра преобразует ускорение в усилие, измеряемое затем пьезо­электрическим датчиком (рис. 7.18) (1 — кор­пус датчика).

Кварцевая пластина 3 наклеивается на ос­нование 4, а сверху к кварцевой пластинке с помощью токопроводящего клея приклеивает­ся пластинка 2, называемая чувствительным элементом. Ось ОХ, перпендикулярная пло­скости кварцевой пластины, называется осью чувствительности акселерометра. Акселеро­метр устанавливается на подвижном объекте. Когда объект движется с ускорением а вдоль оси ОХ, на чувствительный элемент действует инерционная сила, направленная в сторону, противоположную ускорению, и равная

F_и = ma,

где m — масса чувствительного элемента.

На чувствительный элемент действует также вес (сила тяжести) P = mg, где g — ускорение силы тяжести.

Для рассматриваемого варианта акселерометра эти силы совпа­дают по направлению, поэтому результирующая сила F = F_{и +} P = m(a+g).

При изменяющейся силе F возникает выходное напряжение

, (7.2)

где d - пьезомодуль; С_д - емкость датчика; С_м-емкость монта­жа, K = d_m/(C_д + С_м) — коэффициент передачи; а_к = а + g — кажу­щееся ускорение.

Кажущимся называют ускорение, равное векторной разности действительного ускорения объекта а и ускорения силы тяжести —g, т. е.. Из формулы (7.2) видно, что акселерометр из­меряет не действительное, а кажущееся ускорение объекта.

Сельсинные датчики

Сельсинные датчики(сельсины, работающие в трансформаторном режиме) применяются для измерения угла рассогласования двух осей.

Сельсин по конструкции напоминает трехфазный синхронный генератор. На роторе у него располагается однофазная обмотка с контактными кольцами и щетками, а на статоре — трехфазная ли­бо наоборот. Есть также бесконтактные сельсины, v которых обе обмотки располагаются на статоре, а магнитопровод ротора имеет специальную конструкцию.

Схема включения сельсинов в трансформаторном режиме пока­зана на рис. 7.19. Сельсин, у которого ось ротора механически связана с вращением конт­ролируемого вала, называ­ется сельсином-датчиком (СД). Однофазная обмотка СД подключается к сети пе­ременного тока. Другой сельсин называется сельси­ном-трансформатором (СТ). С его однофазной обмотки снимается выходное напря­жение. Ось ротора СТ ме­ханически соединяется с валом исполнительного эле­мента.

Под действием напряже­ния сети в однофазной обмотке СД создается ток i, который наводит в витках трехфазной обмотки электродвижущие силы е₁, е₂, е₃. Эти ЭДС наводят то­ки i₁, i₂, i₃ в фазах системы, которые создают в СТ магнитный поток Ф. Если ось однофазной обмотки СТ перпендикулярна маг­нитному потоку Ф, то потокосцепление с этой обмоткой равно ну­лю, ЭДС в ней не наводится и U_BЫХ = 0.

Положение роторов сельсинов, при котором U_BЫХ = 0, называ­ется согласованным.

При повороте ротора СД от согласованного положения на угол θ изменяется взаимная индуктивность между одно- и трехфазной обмотками СД, изменяются амплитуды электродвижущих сил е₁, е₂, е₃ и амплитуды токов i₁, i₂, i₃, что приводит к повороту потока СТ. Возникает потокосцепление с витками однофазной обмотки С-Т, в ней наводится ЭДС, за счет которой появляется выходное напряжение с частотой питающей сети и с амплитудой U_вых = U_максsin θ, где U_макс — максимальная амплитуда выходного на­пряжения; θ — угол рассогласования.

При повороте ротора СД в другую сторону от согласованного положения угол 8 будет отрицательным. При этом фаза U_вых из­менится на 180°. Таким образом, по амплитуде выходного на­пряжения можно определить величину θ, а по фазе — знак угла θ.

При малых углах рассогласования можно считать U_вых = Kθ, где К — коэффициент передачи.

Вращающиеся трансформаторы

Вращающиеся трансформаторы(ВТ) нашли широкое применение в автоматике как датчики угловых величин, а также как функцио­нальные элементы для вычислительной техник Они применяются и при автоматизации решений тригономет­рических задач, связанных с вычислением параметров треугольников и преобразованием координат.

Вращающийся трансформатор пред­ставляет собой индукционную электриче­скую машину переменного тока, вырабаты­вающую напряжения, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота или на­пряжения, пропорциональные углу поворо­та ротора машины (в зависимости от схе­мы включения обмоток статора и ротора).

На статоре и роторе ВТ расположены по две обмотки, сдвинутые в пространстве под углом 90° (рис. 7.20).

Магнитные оси этих обмоток взаимно перпендикулярны. Одна из обмоток стато­ра является обмоткой возбуждения и пи-

тается от однофазной сети переменного тока. Если при этом ро­тор ВТ повернуть на угол а, то ЭДС, наводимые в обмотках ро­тора, будут пропорциональны синусу и косинусу угла поворота:

,

где Е₁, Е₂ — действующие значения ЭДС в обмотке ротора; — максимальное значение ЭДС в обмотке ротора (при совпадении осей обмоток ротора и статора).

Максимальное значение ЭДС (без учета потерь) в обмотке ро­тора

где U — напряжение возбуждения ВТ; — число витков в обмот­ке ротора; — число витков в обмотке статора; К — коэффициент трансформации ВТ.

Таким образом, напряжение, снимаемое с синусной и косинус­ной обмоток ВТ, определяется из выражений:

U₁ = KU sin ; U₂ = KU cos .

Конструктивно вращающийся трансформатор выполнен в виде статора и ротора с контактными кольцами.

Магнитоуправляемые контакты

Общие сведения.Одним из непременных условий работы систем автоматического регулирования, контроля устройств вычислитель­ной техники является широкое использование в них различного ро­да коммутационных, пороговых и релейных элементов. Примене­ние контактных аппаратов в указанных элементах ограничено, так как они обладают рядом существенных недостатков: незначитель­ным ресурсом, инерционностью, сравнительно невысокой надежно­стью, необходимостью текущего обслуживания вследствие «загряз­ненности» (нарушения) контактных соединений.

Современные бесконтактные релейные элементы намного пре­восходят по быстродействию существующие контактные устройст­ва, они также, обладают большими надежностью и сроком службы и могут быть выполнены средствами микроэлектроники. Однако бесконтактные элементы существенно уступают контактным по ста­бильности параметров, уровню собственных шумов и ЭДС холо­стого хода» а также по основной характеристике релейного элемен­та — величине и вариации отношений выходных проводимостей в устойчивых состояниях:

где и — проводимости релейного элемента соответствен­но в закрытом и открытом состояниях; t — время; Т — температура.

Кроме того, наличие у некоторых бесконтактных элементов галь­ванической связи между цепями управления и выходными цепями усложняет электрические схемы устройств и приборов.

Создание герметичных контактных соединений и на их базе ком­мутационных электромагнитных аппаратов позволило получить значительно лучшие в сравнении с контактными аппаратами харак­теристики: большие быстродействие и стабильность механических и электрических параметров, повышенную надежность и сущест­венно больший ресурс. Так, они позволяют производить более 1000 операций в секунду, их ресурс 108—1012 циклов. При этом вариация сопротивлении контактного перехода в замкнутом состоянии может быть не выше R = 0,001 Ом, а в разомкнутом состоянии - R = 10⁹…10¹¹ Ом. Реле на основе герметичных магнитоуправляемых контактов (МК) по своим характеристикам занимает промежуточное положе­ние между электромагнитными контактными реле и бесконтактны­ми релейными элементами.

Принцип действия и конструкция

Действие МК основано на использовании сил взаимодействия, воз­никающих в магнитном поле между ферромагнитными телами. Эти силы вызывают деформации и перемещения ферромагнитных про­водящих ток электродов, что можно использовать для коммутации электрических цепей.

В соответствии с принципом действия можно дать следующее определение МК: магнитоуправляемым контактом называется гер­метизированная контактная система, элементы которой совмещают функции участков электрической и магнитной цепей, причем хотя бы один из этих элементов имеет возможность перемещения под действием магнитного поля для изменения электрического состоя­ния коммутируемой цепи.

На рис. 8.1 изображена простейшая конструкция МК с одним замкнутым контактом. В запаянной стеклянной колбе 3 консольно укреплены два электрода (контакта) 1 и 2 из магнитомягкого ма­териала. Под Воздействием внешнего магнитного потока Ф, создаваемого катушкой 4 или постоянным магнитом, концы ферромаг­нитных электродов намагничиваются разноименно и притягиваются с силой:

,

где — площадь перекрытия электродов в рабочем зазоре.

Для улучшения условий коммутации стеклянный баллон 3 за­полнен азотом, водородом или другим инертным газом. МК быва­ют с замыкающими, размыкающими и переключающими контакта­ми. МК с замыкающим контактом может быть превращен в МК с размыкающим контактом, если рядом с ним расположить постоянный магнит 5 и катушку 4 (рис. 8.2). Если через катушку 4 пропускать ток такого направления, которое будет создавать

размагни­чивающее поле, то при определенном его значении контакты 1—2 разомкнутся Высокая механическая износостойкость достигнута в МК за счет отсутствия трения в подвижных частях.

Надежная коммутация электрических цепей, малое переходное сопротивление контакта достигаются в МК путем покрытия контак­тирующих частей электродов слоем металла, обладающего хоро­шей электропроводностью (золотом, платиной, серебром, родием и др.). Эти покрытия наносят тонким слоем, чтобы не увеличивать немагнитный зазор между контактами и, следовательно, управ­лять работой контактов сравнительно небольшим магнитным полем.

Значение воздействующего магнитного потока и его ориентация определяются способом управления электродами МК. Существует несколько способов управления работой ДНК: взаимное перемеще­ние постоянного магнита (электромагнита) и магнитоуправляемого контакта (рис. 8.3. а); изменение намагничивающей силы (НС) управляющей катушки (рис. 8.3, в); изменение параметров магнитной цепи уменьшением или увеличением

сопротивлений отдельных ее участков (рис. 8.3, в) и сочетание этих способов (рис. 8.3, г).

Для малых зазоров, которыми обладают МК, с помощью фор­мулы Максвелла можно определить силу магнитного взаимодейст­вия между контактами:

, (8.1)

где Ф_м — магнитный поток в зазоре разомкнутого МК в месте пе­рекрытия контактов с геометрическими размерами а и b концов касания (рис. 8.4). Но так как значение потока Ф в процессе сближения контактов изменяется за счет перераспределения потоков рассеяния, не создающих полезную силу тяги, а магнитная прони­цаемость материала контактов достаточно высока, то можно счи­тать, что F_м является функцией Ф, х, а, b, h, т.е.

(8.2)

Уравнение (8.2) более универсально и позволяет достаточно просто определять значение магнитного взаимодействия при из­вестных геометрических параметрах.

Значение F_м — тяговая характеристика (1) контактов должна быть обязательно взаимозависима с механической (противодействующей) характеристикой (2) и должна быть

больше ее (см. рис. 8.4, б). В точке касания М тяговая и механическая характеристи­ки должны быть равны и иметь равный наклон.

При расчете механической характеристики контактов необходи­мо также учесть и определить противодействующую силу упруго­сти контактов, которая для консольной конструкции определяется из выражения

где у - коэффициент пропорциональности; Е — модуль упругости; материала контактов; I — момент инерции поперечного сечения контактов; для прямоугольного сечения контактов.

В ряде случаев после снятия магнитного потока не удается пол­ностью исключить магнитное поле в зоне контактов из-за возможных наводок. При этом контакты могут либо не разомкнуться (залипание контактов), либо период размыкания будет затянутым (медленное расхождение контактов). В связи с этим для каждого типа контакта необходимо установить минимально допустимое зна­чение потока размыкания, которое может быть определено экспе­риментально или вычислено по формуле

.

Для успешной работы контактной пары следует учитывать так­же коэффициент возврата К_в, равный отношению НС отпускания к НС срабатывания:

.

Для размыкания электродов после окончания воздействия F_M достаточно уменьшить НС, а следовательно, и F_M до значения, рав­ного или меньшего значения силы упругости F_yпp.

В МК с коэффициентом возврата, весьма близким к единице, определенное значение контактного усилия достигается за счет увеличения НС устройства управления до величины выше необхо­димой для срабатывания контакта. Высокое значение коэффициен­та возврата позволяет использовать МК в качестве высокочувстви­тельных пороговых релейных элементов и различного рода датчи­ков с малой зоной нечувствительности и дискретным выходом.

Примеры использования магнитоуправляемых контактов

Магнитоуправляемые контакты получили широкое применение в конструкциях ряда электрических аппаратов и дискретных преоб­разователей. На базе МК выпускаются промежуточные электромаг­нитные реле с вариацией контактных групп от двух до десяти (рис. 8.5,а, б). Воздействие на МК (—1, 0..... п—1, п) оказывает магнитное поле

электрической катушки (ЭК). На основе МК разрабо­тано большое количество дискретных преобразователей (датчиков) неэлектрических величин.

На рис. 8.6 приведено термоэлектриское реле, с, фиксацией срабатывания с помощью МК. Биметаллический элемент 1 изменя­ет положение постоянного магнита 2, приближая его к магнитоуправляемому контакту. В зоне воздейст­вия происходит срабатывание контактов и замыкание цепи, куда они включены.

Широко применяются МК в различных вариантах реле скорости (рис. 8.7). Вра­щающийся диск из ферромагнитного мате­риала с прорезями располагается между постоянным магнитом 1 и магнитоуправляемым контактом 2. Контакт срабатывает тогда, когда прорезь в ферромагнитном ди­ске проходит между ним и магнитом, т. е. когда нет экрана. По количеству импуль­сов тока в цепи МК в единицу времени можно установить частоту вращения диска.

На рис. 8.8 изображено реле давления с использованием фиксации крайнего поло­жения, выполненное на MIC Положение управляющего магнита по отношению к МК зависит от длины сильфона или прогиба мембраны, которые, в свою очередь, зависят от измеряемого давления. На работе такого реле существенно сказывается зна­чение коэффициента возврата.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Общие сведения.Измерительные схемы и преобразователи приме­няются для определенного включения датчиков с целью измерения контролируемых величин и преобразования полученного сигнала в удобный для дальнейшего использования и обработки.

Результат измерения характеризуется точностью, т. е. близо­стью полученного значения измеряемой величины к ее истинному значению. Точность же определяется погрешностью метода измерения, т. е. максимально возможной ошибкой, которая может иметь место в данном измерении. Погрешность Метода измерения опреде­ляется из выражения

,

где — абсолютная погрешность (разность между полученным значением величины и ее действительным значением); А — дейст­вительное значение измеряемой величины.

Принимая во внимание номинальное значение показания измерительного прибора А_н, получим

,

где — приведенная погрешность измерительного прибора, выра­женная в процентах и представляющая собой класс точности изме­рительного прибора (0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5).

Таким образом, погрешность измерения зависит от класса точ­ности измерительного прибора и от отношения значения величины, на которое рассчитан прибор, к действительному значению измеря­емой величины.

Измерительные схемы и преобразователи должны иметь также высокую чувствительность. При измерении малых величин чувстви­тельность метода измерения приобретает особое значение, часто определяя возможность самого измерения. Чувствительность метода измерения определяется из выражения

S=S_cxS_пp,

где S_cx — чувствительность схемы; S_пp — чувствительность измери­тельного прибора.

Таким образом, повысить чувствительность метода измерения можно как повышением чувствительности измерительной схемы, так и выбором соответствующей измерительной аппаратуры.

Наиболее широко применяются мостовая, компенсационная и дифференциальная измерительные схемы.

Мостовая измерительная схема

Схема, умеющая четыре плеча, к одной диагонали которой под­водится питающее напряжение, а с другой диагонали снимается выходное напряжение, называетсямостовой измерительной схемой или просто мостом (рис. 9.1). Она используется для преобразова­ния изменения активного сопротивления, индуктивности или ем­кости датчика в изменение величины или амплитуды напряжений. Применяются два основных типа мостовой схемы: а) равновес­ная, или балансная, мостовая схема, предусматривающая нулевой метод измерения; б) неравновесная, или небаластная, мостовая схема предусматривающая измерение методом непосредственного отсчета по измерительному прибору, включенному в диагональ моста. Для измерения неэлектрических величин электрическими ме­тодами наиболее часто используют второй тип мостовой схемы. "В тех случаях, когда задачей мостовой схемы является не измерение, а управление каким-либо про­цессом, в основном применяют пер­вый тип мостовой схемы.

Мостовые схемы могут работать как на постоянном, так и на пере­менном токе. При равновесии мо­стовой схемы (сила тока в диаго­нали i_пр = 0) и при питании ее по­стоянным напряжением на основа­нии закона Кирхгофа для замкну­тых контуров можно написать ра­венства:

(9.1)

Разделив почленно одно на другое равенства (9.1) и сделав соответствующие преобразования, получим условие равновесия мо­стовой схемы на постоянном токе, т. е.

. (9.2)

Для равновесия мостовой схемы, питаемой переменным током, необходимо соблюдать условие

(9.3)

где Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ — комплексные (полные) сопротивления плеч мос­товой схемы.

Комплексные сопротивления Z₁, Z₂, Z₃ и Z₄ можно представить в виде

} (9.4)

где R₁, R₂, R₃, R₄ - активные сопротивления; х₁, х₂, x₃, x₄ — реак­тивные сопротивления.

Подставляя значения формулы (9.4) в формулу (9.3), получим

или

. (9.5)

Для того чтобы было соблюдено равенство (9.5), необходимо чтобы действительные (вещественные) части левой стороны были равны действительным частям правой и мнимые части левой стороны — мнимым частям правой, т. е.

} (9.6)

Трудность регулирования мостовой схемы на переменном токе заключается в том, что после выполнений условия равновесия (9.3) необходимо еще выполнить условие (9.6), не нарушая первого усло­вия. Такое регулирование возможно только методом последова­тельных приближений, когда вначале добиваются минимальной си­лы тока, регулируя один параметр, затем добиваются еще больше­го уменьшения i_пр, регулируя другой параметр, и т. д., последова­тельно уменьшая i_пр до нуля.

Регулирование равновесного моста на переменном токе упроща­ется в следующих случаях:

1. При наличии только реактивных сопротивлений, когда актив­ные сопротивления равны нулю (что возможно только при приме­нении конденсаторов). В данном случае остается только одно усло­вие равновесия

.

2. Если в плечи моста включены только активные сопротивле­ния. Тогда условие равновесия определяется только равенством

.

3. Если два соседних плеча имеют только активное, а два дру­гих — только реактивное сопротивление (что возможно при при­менении конденсаторов). В данном случае остается только одно условие: , если.

Чувствительность равновесной мостовой схемы при переменном сопротивлении R по току определяется из выражения

и по напряжению

,

где — изменение сопротивления (одного из плеч); М, N — сопротивление плеч, зависящих от способа включения датчиков; U — напряжение питания мостовой схемы; i — сила тока, потребля­емая мостовой схемой от источника питания.

Таким образом, повышение чувствительности мостовой схемы может происходить за счет увеличения напряжения питания и спо­собов включения датчиков.

Компенсационная схема

Принцип компенсации заключается в том, что измеряемую ЭДС (или напряжение) уравновешивают равным и противоположным по знаку падением напряжения, значение которого может быть уста­новлено и определено с высокой точностью. Уравновешивающее па­дение напряжения снимается с потенциометра (реохорда) и фик­сируется положением движка (рис. 9.2).

Движок устанавливают либо вручную, проверяя показания по гальванометру (рис, 9.2, а), либо он устанавливается автоматически посредством электродвигателя Д, управляемого гальваномет­ром (рис. 9.2, б). Последняя схема называется автокомпенсацион­ной, и ее применяют почти во всех приборах, работающих по ком­пенсационному методу.

Подвижная система нулевого гальванометра НГ имеет вместо стрелки контакт, который при появлении в гальванометре тока в зависимости от его направления замыкается с верхним или нижним неподвижным контактом К. При этом включается электродвигатель Д и

перемещает движок реохорда R_д до тех пор, пока сила тока в гальванометре опять не станет равной нулю. Тогда контакты разомкнутся, электродвигатель остановится и движок реохорда останется в положении, соответствующем условию компенсации до тех пор, пока измеряемая ЭДС опять не изменит своего; значения. Тогда описанный процесс повторится и движок переме­стится в новое положение, соответствующее новому положению; компенсации. Перемещение движка механически передается на указатель У, показывающий по шкале Ш значение измеряемой ЭДС, или на каретку с пером записывающего механизма (или на то и другое одновременно).

Условие компенсации может быть записано так:

т. е. откуда где I = const. Напряжение U_x (ЭДС термопары) в момент компенсации всегда пропорционально , а значит и перемещению движка.

Дифференциальная схема

Дифференциальная схема представляет собой электрическую цепь состоящую из двух смежных контуров, в каждом из которых действует отдельная ЭДС. Измерительный прибор включен в общую для обоих контуров цепь и реагирует на разность контурных токов

Могут быть следующие режимы использования дифференциальной схемы: при неизменных сопротивлениях обоих контуров из­меняется на величину ΔЕ либо одна, либо обе ЭДС Е₁, Е₂ (рис 9 3 а, б); при неизменных ЭДС Е₁ и Е₂ изменяется сопротивление Z одного или обоих контуров (рис. 9.3, в, г). Характер режима использования определяется типом применяемого электрического дат­чика (трансформаторный датчик, датчик сопротивления и др.).

Чувствительность дифференциальной схемы по напряжению (В/Ом) определяется из выражения

где — Выходное напряжение схемы; Е — вторичное напряже­ние трансформатора; Z — полное сопротивление датчика; — из­менение сопротивления датчика.

Чувствительность схемы по току (В/Ом) определяется из вы­ражения

где — сопротивление измерительного прибора.

Таким образом, чувствительность дифференциальной схемы по току при большом сопротивлении выше, чем мостовой.

Дифференциальная схема с индуктивным датчиком получила широкое распространение для измерения перемещений.

РЕЛЕ

Общие сведения. Реле - это электрический аппарат, в котором при изменении входной (управляющей) величины X происходит автоматически скачкообразное изменение выходной (управляемой) величины Y. Из двух величин хотя бы одна должна быть электри­ческой.

Реле — наиболее распространенный электрический аппарат, при­меняемый практически в большинстве систем автоматического управления. Функции, выполняемые реле, и их конструкции чрез­вычайно разнообразны. Характерные признаки реле позволяют классифицировать их по следующим факторам: по принципу действия (электромагнитные, магнитоэлектрические, электронные); по способу коммутации (контактные, бесконтактные); по назначению (управления, защиты, автоматизации); по характеру входной ве­личины (электрические, оптические, тепловые, акустические, ме­ханические).

Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами выходной и входной величины. Различают сле­дующие основные характеристики реле.

Величина срабатыванияX_ср - значение параметра входной ве­личины, при которой реле включается. При Х<Х_ср параметр выходной величины Y=0. При ХХ_ср величина Y скачком изменяется от Y_мин до Y_макс и реле включается.

Величина отпускания Х_отп - зна­чение параметра входной величи­ны, при котором произошло скачкообразное уменьшение выходного параметра с Y_макс до Y_мин и реле отключилось.

Величина параметра, на кото­рую отрегулировано реле, называет­ся уставкой.

Коэффициент возврата К_в — от­ношение величины отпускания к ве­личине срабатывания

.

Время срабатывания t_cp — про­межуток времени от момента появления импульса (входной величины) до момента скачкообразного изменения выходной величины.

Время отпускания t_отп — промежуток времени от момента сня­тия сигнала (входной величины) до момента достижения Y_мин. Это время состоит из двух частей: времени отпускания и времени гаше­ния дуги. Представление о времени работы реле дает график на рис. 10.1. На рис. 10.1, а дана зависимость тока от времени в управляемой цепи, а на рис. 10.1, б — в управляющей цепи (в обмотке реле). Точка А —начало импульса на срабатывание, а точка Б — начало отпускания.

Помимо функции коммутации реле выполняет также функцию усиления, определяемую отношением

,

где Р_у — максимальная мощность в нагрузке управляемой цепи; — минимальная мощность входного сигнала, при котором про­исходит срабатывание реле.

Для реле с исполнительным органом в виде контактной систе­мы максимальная мощность управления Р_у определяется не дли­тельным током, который может пропустить контакт, а током, кото­рый может быть многократно отключен.

Электромагнитные реле

Электромагнитные реле благодаря простому принципу действия и надежности получили широкое применение в системах автомати­ки, а также в схемах защиты энергосистем.

Электромагнитным реле называют реле, у которого контакты перемещаются при притягивании якоря к сердечнику электромаг­нита, по обмотке которого протекает ток.

Основными параметрами электромагнитных реле являются:

ток срабатывания I_ср — это такое значение тока в катушке ре­ле, при котором оно срабатывает, т. е. его контакты переходят из исходного в другое состояние (замыкаются или размыкаются);

рабочий ток I_р —это такое значение тока в катушке реле, при котором обеспечивается заданное нажатие контактов, т. е. мини­мальное переходное сопротивление между контактами;

ток отпускания I_отп — это такое значение тока в катушке реле, при котором магнитный поток недостаточен для удержания якоря и контакты возвращаются в исходное состояние.

Реле постоянного тока являются наиболее распространенным видом электромагнитных реле. Это объясняется сравнительно прос­той конструкцией реле и значительным коэффициентом усиления К_у. На практике наиболее часто применяются электромагнитные реле с поворотным и втяжным якорем.

Реле с поворотным якорем показано на рис. 10.2, а. Под дейст­вием напряжения U в катушке 1 возникает ток I, который создает магнитный поток, замыкающийся через сердечник 2, магнитопровод 3 и якорь 4. Поток намагничивает якорь, возникает электро­магнитная сила, под действием которой якорь притягивается к сер­дечнику, поворачиваясь при этом вокруг центра О. Под действием якоря контакт 6 перемещается влево. В результате контакты 5 и 6 разомкнутся, а контакты 6 и 7 замкнутся. Цепь с лампой Л2 будет выключена, а с лампой Л1 включена.

После снятия напряжения U ток в катушке исчезнет, соответ­ственно исчезнет электромагнитная сила и якорь под действием си­лы возвратной пружины 6 (возвратной пружиной может являться сам контакт 6) отклонится в обратном направлении. При этом кон­такты 6, 7 разомкнутся, контакты 5, 6 замкнутся, Л1 погаснет и Л2 загорится.

Контакты 5, 6, 7 укреплены на основании 9 из диэлектрика. Бла­годаря штифту 8 якорь не будет вплотную прилегать к сердечнику (между ними всегда будет зазор), поэтому не возникнет эффект «залипання» (прохождения остаточного магнитного потока по магнитопроводу, якорю и сердечнику после исчезновения тока) и для Отрыва якоря от сердечника потребуется меньшая сила пружины, чем при отсутствии штифта.

Реле с втяжным якорем (рис. 10.2, б) срабатывает также при наличии тока в катушке 2 и создании при этом электромагнитной силы. Якорь 1 втягивается внутрь катушки и притягивается к сер­дечнику 3. Одновременно с якорем перемещается контактная перемычка 4, которая замыкает кон­такты 5. При отключении тока якорь под действием пружины возвращается в исходное поло­жение. Как следует из описания принципа действия, электромаг­нитное реле конструктивно со­стоит из магнитопровода (вклю­чая якорь), катушки и контакт­ной группы.

Магнитопровод выполняется из различных материалов с за­данными магнитными характеристиками. Различают следующие основные виды магнитных ма­териалов: магнитомягкие и магнитотвердые (рис. 10.3). Магнитомягкие (рис. 10.3,а) характеризуются низкой коэрцитивной силой Н_с (напряженность магнитного поля, необходимая для снижения остаточной индукции) и высоким значением магнитной проницаемости μ. Магнотототвердые (рис. 10.3,б) обладают высокими значениями коэрцитивной силы Н_с и низкими значениями магнитной проницаемости μ.

При выборе материала для магнитной системы учитывают требования, предъявляемые к реле, что определяется его назначением и стоимостью. Различают два основных вида магнитопровода: сплошной и шихтованный. Как правило, реле постоянного тока имеют магнитопровод из сплошного материала, а реле переменного тока - из шихтованного.

Катушка реле является одним из основных элементов электрического аппарата. Она должна удовлетворять следующим требованиям: иметь минимальные габаритные размеры, быть технологичной в производстве, не перегреваться при максимально допустимом напряжении питания, обладать механической устойчивостью и устойчивостью к испытательному напряжению для проверки диэлектрической прочности изоляции. Нагрев катушки определяется потерей мощности при протекании тока I/P = I²R. Предельная допустимая температура нагрева катушки ограничивается теплостойкостью изоляции.

Контакты изготовляются из различных материалов, выбираемых в зависимости от принятого давления в контактах, условий работы по частоте, разрывной мощности и ресурса работы. Разрушение контактов определяется механическим износом ( получается вследствие ударов подвижного контакта о неподвижный), химическим износом - коррозией (получается вследствие окисления материала при высоких температурах) и электрическим износом - эрозией (выражается в переносе металла с одного контакта на другой и нарушении при этом контактной поверхности).

Наиболее распространенная форма контактов приведена на рис.10.4.

При замыкании и размыкании контактов, включенных в электрическую цепь с ЭДС, происходит искрение между контактами.

Наиболее сильное искрение получается при размыкании цепи с индуктивной нагрузкой. Такой нагрузкой может быть обмотка контактора, электромагнита, электродвигателя и т. д. Искрениеприводит к обгоранию и оплавлению контактов, кроме того, при искрении возникает помехи, которые могут нарушать работу находя­щейся поблизости электронной аппаратуры и радиоаппаратуры. Та­ким образом, искрение вредно и его стараются уменьшить, применяя различные схемы искрогашения. На рис. 10.5 представлены схемы с полупроводниковым диодом VД1 (рис. 10.5, а) и конденсатором С1 (рис. 10.5, б), включенным параллельно индуктивной нагруз­ке. При размыкании контактов Р1 в катушке реле Р2 возникает ЭДС самоиндукции. Ток, вызванный этой ЭДС, замыкается через диод VД1 и катушку Р2 (в схеме с диодом) и через источник пи­тания Е, конденсатор С1 и катушку Р2, минуя контакты P1. За счет этого искрение контактов Р1 уменьшается. Следует отметить, что в схеме с диодом изменять полярность питающего напряжения Е нельзя, так как в случае замены диод при замыкании контактов Р1 замкнет накоротко источник Е, т. е. возникнет короткое замыка­ние.

При включении и отключении электромагнитного реле возникают переходные процессы, влияющие на время срабатывания t_cp и время от­пускания t_отп. При замыкании контакта Р1 (рис. 10.6) напряжение U на катушке реле Р увеличивается скачком от 0 до Е. С этого момента ток в катушке начинает возрастать по экспоненциальному закону:

(10.1)

где I_р=E/R — рабочий ток; R — активное сопротивление цепи ка­тушки; τ=L₁/R — постоянная вре­мени цепи катушки реле; L₁ — ин­дуктивность катушки.

При размыкании контактов Р1 напряжение U скачком уменьшается. С этого момента ток в катушке начинает уменьшаться по экспоненте:

, (10.2)

где — постоянная времени цепи катушки при при­тянутом якоре; Q — сопротивление между контактами Р1 при иск­рении.

Подставив в формулу (10.1)i=I_cp и t=t_ср, а в формулу (10.2) i=I_отп и t=t_отп, можно соответственно получить

; (10.3)

. (10.4)

Из формул (10.3) и (10.4) следует, что и , т. е. быстродействие реле, зависят от постоянной времени цепи катушки и то­ковых параметров реле.

Электромагнитные реле переменного тока по принципу действия не отличаются от реле постоянного тока, однако имеют особенности конструкции, обусловленные тем, что ток в катушке дважды за период прини­мает нулевые значения и тем самым вызы­вает вибрацию якоря и контактов. Для уменьшения вибрации один полюс сердеч­ника 1 (рис. 10.7) раздваивают и на одну половину помещают медную пластину 2 (короткозамкнутый виток). Ток i создает магнитный поток, который разветвляется в полюсе сердечника на два потока Ф₁ и Ф₂. Поток Ф₂ наводит в короткозамкнутом вит­ке ток, который препятствует изменениям потока Ф₂ (по закону электромагнитной индукции). В результате поток Ф₂ отстает по фазе от потока Ф₁. Тогда при Ф₁=0 Ф₂0 и наоборот, поэтому электромагнит­ная сила прочно удерживает якорь возле сердечника. Сердечник и якорь 3 выполняются шихтованными из листовой трансформаторной стали с целью уменьшения по­терь на гистерезис и вихревые токи.

Поляризованные реле

Поляризованным называют электромагнитное реле, у которого на­правление перемещения якоря зависит от направления тока в ка­тушке реле, т. е. от полярности входного напряжения, что дости­гается взаимодействием двух магнитных потоков: рабочего, образо­ванного катушкой, и поляризованного, создаваемого постоянным магнитом. Благодаря этому поляризованные реле имеют значитель­но большую чувствительность по сравнению с электромагнитными. Главным недостатком поляризованных реле является малое число контактных групп.

На рис. 10.8, а показана поляризованная система, получившая большое применение благодаря своей чувствительности и быстро­действию. Распределение магнитных потоков, образованных посто­янным магнитом М и электромагнитом (катушкой) ω, представле­но на рис. 10.8 б.

Потоки постоянного магнита в зазорах σ₁ и σ₂ равны:

(10.5)

где - магнотодвижущая сила (МДС) постоянного магнита; — магнитные сопротивления зазоров σ₁ и σ₂; — магнит­ное сопротивление паразитного зазора σ.

Поток от управляющей катушки

.

где — МДС катушки.

Результирующая сила, действующая на конец якоря, равна раз­ности сил, создаваемых в зазорах σ₁ и σ₂. В соответствии с формулой Максвелла для определения силы в зазоре можем записать результирующее значение силы, действующей на якорь:

(10.6)

где S_п — площадь полюса рабочего зазора; — магнитные потоки в плечах.

Срабатывание реле произойдет тогда, когда сила изменит свое направление, т. е. будет соблюдено неравенство

. (10.7)

Для определения потока срабатывания Ф_к.ср воспользуемся уравнениями (10.6) и (10.7) и получим

.

Так как , то

.(10.8)

Тогда из уравнений (10.5) и (10.7) получим

. (10.9)

Если приблизить к то можно получить очень малую магнитодвижущую силу срабатывания. Благодаря этому мощность срабатывания у чувствительных поляризованных реле составляет всего 10^-6 Bт. Следует отметить, что сила нажатия подвижного контак­та на неподвижный определяется разностью зазоров и . Из геометрии системы реле (рис. 10.8, а) следует:

,

где и — расстояние между магнитными потоками постоянного магнита и электромагнита и между постоянным магнитом и контак­том соответственно.

Чем ближе зазор к зазору , тем меньше сила, действующая на контакты.