Генераторные датчики

Термопара обеспечивает преобразование тепловой энергии в электрическую. Принцип действия термопары основан на явлении термоэлектрического эффекта (открыл и изучил немецкий ученый Томас Зеебек в 1821 г.). Этот эффект заключается в том, что если место спая и концы термоэлектродов поместить в среды с различными температурами t₁ и t₂, то в цепи появится термо-ЭДС, пропорциональная разности этих температур, см. рис. 3.15.

Рис. 3.16 Термопара (термоэлемент)

При разных температурах спаев двух проводников A и B возникает напряжение на концах разомкнутой цепи – термо-ЭДС термопары. Знак термо-ЭДС зависит от того, для какого из проводников больше по абсолютной величине удельная термо-ЭДС. Величина термо-ЭДС термопары зависит от разности температур и от удельных термо-ЭДС обоих проводников.

Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие – одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом – мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов.

Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов. Колебания распространяются в сторону более холодного конца, и в этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов – колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС.

Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.

Термопары применяются для измерения температур в широких пределах (100 – 1000 С). Термопары изготавливают из разнородных металлов и их сплавов (медь – константан, хромель – алюмель, вольфрам – молибден).

В 1920–1930-х годах ученые обнаружили ряд материалов с низкой проводимостью, ныне называемых полупроводниками, удельные термо-ЭДС которых в тысячи раз больше, чем у металлов. Поэтому полупроводники в большей степени, чем металлы, подходят для изготовления термобатарей, от которых требуются большие термо-ЭДС либо интенсивное термоэлектрическое нагревание или охлаждение. Как и в случае металлов, термо-ЭДС полупроводников имеют две составляющие (связанные с диффузией электронов и с их фононным увлечением) и могут быть отрицательными или положительными. Наилучшие термобатареи получаются из полупроводников с термо-ЭДС противоположного знака.

Пьезоэлектрические датчики основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта, свойственного монокристаллам некоторых веществ (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.).

Пьезоэлектрический эффект был обнаружен в 1880 Французскими физиками супругами Кюри.

1. Когда механическое давление приложено к кристаллическому элементу, то на его поверхностях возникает разность потенциалов.

Рис. 3.18 Пьезоэлектрический эффект. 1 – кристалл пьезоэлектрика; 2 – металлические электроды.

2. И наоборот, когда напряжение приложено к поверхности элемента, то механическое напряжение генерируется (Обратный пьезоэлектрический эффект).

Рис. 3.19 Обратный пьезоэлектрический эффект

Рис. 3.20 а) пьезоэлектрический датчик удара, используется в автосигнализации; б) датчики предназначеные для преобразования изгибающего момента в электрический сигнал и используются в первичных преобразователях скорости потока вихревых счетчиков воды, тепла, газа, пара и других однородных сред.

Пьезоэлектрические датчики служат в большинстве случаев для измерений быстро-протекающих динамических процессов при ударных нагрузках, вибрации и др.

Индукционные датчики служат для преобразования линейных и угловых перемещений в индуцированную ЭДС, пропорциональную скорости изменения магнитного потока (закон Фарадея).

При линейном перемещении якоря 4 и пересечении магнитного потока, в катушке 2 возникает ЭДС прямопропорциональная скорости перемещения и обратнопропорциональная зазору между ферромагнитным сердечником 1 и якорем. Источником магнитного поля является кольцевой постоянный магнит 3.

Рис. 3.22 Использование индукционного датчика для измерения пройденного пути автомобиля.

Датчик угловой скорости (тахогенератор). Различают тахогенераторы переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока. Тахогенераторы постоянного тока — небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой. Тахогенератор синхронного типа представляют собой небольшие синхронные машины с постоянным магнитом в качестве ротора. Наибольшее распространение получили асинхронные тахогенераторы, которые по конструкции подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин).

В промышленности тахогенераторы широко применяются для контролирования скорости вращения различных приводов. В горной промышленности, например, они используются при автоматизации подъемных машин.

Сельсинные датчики. Свое название сельсины получили от сокращения английских слов self-synehronizing (самосинхронизирующийся). Они служат для синхронного поворота или вращения двух или нескольких механически не связанных валов. Сельсины могут работать в индикаторном и трансформаторном режимах.

Схема включения сельсинов в индикаторном режиме показана на рис. 3.23. Один из сельсинов (например, левый) называется датчиком, а другой (правый) приемником. В индикаторном режиме осуществляется дистанционная передача угла. При этом внешний нагрузочный момент на валу сельсина

Рис. 3.23 Сельсины в индикаторном режиме

приемника практически отсутствует.

Обычно вал сельсина-приемника поворачивает стрелку или шкалу измерительного прибора, движок реостата и т. п. Если углы поворота соответствующих обмоток фаз сельсина-датчика β_Д и сельсина-приемника β_П по отношению к осям полюсов одинаковы (β_Д = β_П) , а обмотки возбуждения сельсинов В_Д и В_П включены в одну и ту же сеть, то пульсирующие магнитные поля, созданные этими обмотками, наведут в соединенных друг с другом одноименных обмотках синхронизации одинаковые ЭДС:

Е_АД = Е_АП ; Е_ВД = Е_ВП ; Е_СД= Е_СП

Одноименные ЭДС сельсина-датчика и сельсина-приемника имеют встречное направление, поэтому в обмотках синхронизации не возникает токов и электромагнитные моменты сельсинов равны нулю.

Если теперь повернуть ротор сельсина-датчика на какой-то угол Δβ₁ = β_Д - β_П, то одноименные «фазы» сельсинов окажутся не в одинаковых условиях по отношению к магнитным полям и их ЭДС не будут равны (Е_АД ≠ Е_АП и т. д.). Вследствие этого в обмотках синхронизации возникнут токи, которые, взаимодействуя с магнитными полями, создадут вращающие моменты. Моменты, действующие на роторы сельсина-датчика и сельсина-приемника, направлены в противоположные стороны и под их влиянием угол рассогласования Δβ₁ уменьшится. Если при повороте на Δβ₁ ротор сельсина-датчика будет закреплен, то ротор сельсина-приемника под действием возникшего момента также повернется на угол Δβ₁ и опять, будет выполняться равенство β_Д = β_П.

В реальных условиях сельсины всегда дают некоторые погрешности в передаче угла. Эти погрешности вызваны наличием трения в подшипниках и щетках, неточностью изготовления и др. В зависимости от класса точности сельсины позволяют осуществить передачу угла с погрешностью 0,25-2,500.

Сельсины, работающие в трансформаторном режиме, конструктивно не отличаются от сельсинов, работающих в индикаторном режиме, и применяются в следящих системах. На рис. 3 показана схема включения сельсинов, работающих в трансформаторном режиме. Отличие этой схемы от

Рис. 3.24 Сельсины в трансформаторном режиме

схемы, показанной на рис. 2, состоит в том, что однофазная обмотка В_П сельсина-прнемника С-П не включается в сеть переменного тока, а подключается к управляющему блоку усилителя У. При подаче питания в обмотку возбуждения В_Д сельсина-датчика С-Д в обмотках синхронизации потечет ток, который в сельсине-приемнике создаст пульсирующий магнитный поток.

В исходном положении ротор этого сельсина должен быть расположен так, чтобы его ось была ориентирована перпендикулярно оси пульсирующего магнитного потока, созданного обмотками синхронизации. В этом случае оси обмоток В_Д и В_П будут сдвинуты в пространстве на 90° и напряжение на выводах обмотки ВП равно нулю. На усилитель У не будет подаваться сигнал, и он не будет давать питание на исполнительный двигатель ИД. Система будет неподвижна.

Если теперь повернуть ротор сельсина-датчика С-Д на какой-либо угол α, то токи в обмотках синхронизации изменятся, и ось магнитного потока в сельсине-приемнике С-П повернется на тот же угол. При этом появится напряжение на обмотке ВП, пропорциональное sin α. На вход усилителя У поступит сигнал. Уси ленный сигнал от усилителя У поступает на двигатель ИД, который приводит в действие исполнительный механизм ИМ и одновременно поворачивает ротор сельсина-приемника в такое положение, когда его обмотка ВП снова будет сдвинута на 90° относительно оси обмотки В_Д. В этом положении подача сигнала на усилитель прекращается и привод останавливается. Таким образом, исполнительный механизм будет повторять повороты или вращение ротора сельсина-датчика (будет «следить» за поворотами ротора сельсина-датчика).

Фотоэлектрический датчик (фотодатчик). Работа датчиков основана на явлении фотоэлектрического эффекта, открытого в 1889 Ю.Эльстером и Г.Гейтелем. Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, фотодатчики нашли широкое применение в системах автоматики.

Фотодиод (иногда называемый вентильным фотоэлементом) представляет собой металлическую пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводникового материала (например, селена) с напыленной поверх него тонкой пленкой золота или другого неокисляющегося металла (рис. 3.25). Толщина пленки подобрана так, что она проводит электричество, но прозрачна и пропускает свет. Свет, падающий на селен, вызывает дрейф свободных электронов, которые заряжают металлическую пленку отрицательно относительно селена.

Рис. 3.25. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОДИОД. Свет, падающий на слой селена, создает поток электронов, который может быть измерен гальванометром или микроамперметром. 1 – слой селена; 2 – металлическая подложка; 3 – прозрачный слой золота; 4 – металлическое кольцо.

Если к такому фотодиоду присоединить микроамперметр с малым сопротивлением, то показываемый им ток будет почти строго пропорционален освещенности фотодиода. Простая комбинация фотодиода с микроамперметром используется в фотографических экспонометрах.

При слабых источниках света, используются вакуумные фотоэлементы. Такой фотоэлемент имеет фотокатод в виде металлической пластинки, обычно покрываемой одним или несколькими тонкими слоями металлов и их оксидов, и второй электрод – анод, причем оба они находятся в стеклянном высоковакуумном баллоне. Когда на фотокатод падает свет с длиной волны, превышающей некоторое «пороговое» значение (зависящее от материала фотокатода), из него эмитируются электроны. Если фотоэлемент включить последовательно с батареей и чувствительным измерительным прибором, как показано на рис. 3.26, то электроны, высвобождающиеся с катода, будут притягиваться анодом. Поток таких электронов, а следовательно, и ток в цепи пропорциональны освещенности.

Рис. 3.26. ВАКУУМНЫЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ. Фотокатод покрыт калием или цезием, который испускает электроны под действием падающего света. Возникающий при этом ток может быть измерен чувствительным прибором. 1 – анод; 2 – микроамперметр; 3 – фотокатод; 4 – фотоэлемент.

Вместо измерительного прибора можно использовать электронный усилитель, и тогда слабые токи будут усиливаться. Можно также добавить дополнительные усилительные каскады; тщательно спроектированная аппаратура такого рода позволяет измерять свет звезд, слишком слабый, чтобы его можно было видеть простым глазом (фотомет

Рис. 3.27 Фотодатчики

рия). Для повышения чувствительности и стабильности измерений перед фотоэлементом можно установить вращающийся прерыватель света и усиливать полученный переменный ток. Такой метод особенно эффективен, если усиливаемый ток выпрямляется в точном синхронизме с прерывателем.