Устройство и принцип действия датчиков

Курсовая работа

В процессе работы электрического и технологического оборудования возникает необходимость контролировать происходящие при этом процессы, для этого нужна информация о состоянии и текущих значениях скорости, тока, момента, ЭДС, температуры, давления, уровня жидкости в емкости, положения, освещенности и т.д. Устройства, которые выдают подобную информацию в виде электрических сигналов, называются измерительными преобразователями или датчиками.

Сигнал от датчика подается на устройство сравнения вместе с заданным сигналом, сигнал разности подается на усилитель. Этот усиленный сигнал действует на исполнительный орган, изменяющий состояние регулируемого (контролируемого) объекта.

Датчики классифицируются по следующим признакам. По принципу преобразования электрических и неэлектрических величин в электрические датчики подразделяются на тепловые, датчики давления, уровня, пути, электромагнитные, датчики Холла, фотодатчики; по конструкции — на контактные и бесконтактные; по роду тока и величине напряжения; по току выходного исполнительного органа; по конструктивным особенностям и степени защиты.

В зависимости от вида выходного сигнала датчики подразделяются на генераторные и параметрические. Генераторные датчики под воздействием измеряемого физического параметра вырабатывают электрическую энергию. Параметрические датчики под воздействием измеряемой величины меняют какие-либо электрические параметры (сопротивление, емкость, индуктивность, фазовый сдвиг и др.).


Принцип действия тепловых датчиков основан на использовании тепловых процессов (нагрева, охлаждения, теплообмена).

Чтобы измерить температуру она преобразуется в промежуточную величину, например в ЭДС, в электрическое сопротивление и другие величины. Из всех существующих способов измерения температуры наиболее широко используются термоэлектрические.

Термоэлектрические явления заключаются в том, что при соединении двух проводов А и В (рис. 1) из разных материалов (термопара) и создании разности температур между точкой соединения Т и точками свободных концов Т0 возникает ЭДС, пропорциональная разности функций температур:

Е (Т 1 , Т0 ) = f (T1 ) — f (T0 )

Значение термо-ЭДС зависит от материалов термопары и колеблется от долей до сотен милливольт на 100 0 С.

Наряду с термоэлектрическими датчиками температуры применяются терморезистивные датчики, которые называются термометрами сопротивления.

14 стр., 6962 слов

Использование резистивного эффекта для измерения физических величин

... тензорезистивного эффекта. Пусть вещество характеризуется тензором удельного сопротивления с компонентами ik . Если полупроводник деформирован, то его удельное сопротивление изменилось, оно равно или . Величина ... практическое применение диска Корбино сильно затруднено. 1.2 Тензорезистивный эффект Работа полупроводниковых датчиков давления основана, в основном, на использовании тензоэффекта, ...

Термопары сопротивления используются для передачи сигнала о температуре объекта на расстоянии от него до показывающего прибора, т.е. для дистанционного измерения температуры.

Принцип их работы основан на свойствах материалов изменять удельное сопротивление при изменении температуры (рис. 2).

Чувствительный элемент 1 термопреобразователя состоит из проволоки, намотанной на каркас. В зависимости от материала, из которого изготовлена проволока, различают термопреобразователи сопротивления медные (ТСМ) и платиновые (ТСП).

Размер каркаса чувствительного элемента равняется 60.100 мм. Он крепится в конце корпуса защитной арматуры. На его другом конце есть зажимы 5 для проводов, которые идут от чувствительного элемента. На корпусе находится штуцер для его крепления на технологическом оборудовании.

Термопреобразователи отличаются монтажной длиной расстоянием от штуцера до каркаса, в котором находится чувствительный элемент. Эта длина может изменяться от 80 до 3150 мм. Пределы измеряемой температуры термопреобразователя составляют 200.600°С.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) служат для дистанционного измерения температуры. Принцип их действия основан на использовании ЭДС, которая получена от двух спаянных концов проволоки разного металла, если их спай и свободные концы находятся при разных температурах.

Термоэлектрические преобразователи обозначаются в зависимости от применяемых сплавов: хромель-копель (ТХК); хромель-алюмель (ТХА); платинородий-платина (ТПП); платинородий (30 % родия) — платинородий (6 % родия) (ТПР).

Термоэлектрический преобразователь устроен так же, как и термопреобразователь сопротивления. Длина его монтажной части достигает 10 м, пределы измеряемой температуры 60.1800 ос. Особенность использования термоэлектрических преобразователей заключается в необходимости компенсации температуры холодных концов спая. Если температура холодных концов, равная температуре окружающего воздуха, будет изменяться, а температура измеряемой среды останется неизменной, то значения термо-ЭДС будут также изменяться. Неизменность показаний прибора достигается благодаря электрической компенсации влияния температуры в месте установки прибора, воспринимающего термо-ЭДС. Для этого термоэлектрический преобразователь при — соединяют к вторичному прибору специальными компенсационными проводами (табл. 1)

Таблица 1

Характеристика термоэлектродных проводов

Обозначение провода

Расцветка изоляции жил

Материал провода

Тип термопреобразователя

положительный

отрицательный

М

Красная Коричневая

Медь

Константан

ТХА

П

Красная Зелёная

Медь

Сплав ТП

ТПП

ХК

Фиолетовая Жёлтая

Хромель

Копель

ТХК

Эти приборы используются для дистанционного измерения температуры. Принцип их действия основан на существовании зависимости между температурой и давлением жидкости или газа при постоянном объеме.

Прибор состоит из термобаллона 6, соединенного капилляром 5 с вторичным прибором — манометром (рис. 3).

Капилляр в манометре соединяется с трубчатой пружиной, которая скручивается или раскручивается в зависимости от давления жидкости или газа в системе манометра, зависящего от температуры измеряемой среды, куда помещен термобаллон. Пружина действует на механизм манометра, который влияет на показывающие и регулирующие устройства (стрелки, самописцы, контакты).

Манометрические термометры бывают газовые, жидкостные и конденсационные, самопишущие, сигнализирующие и показывающие. К показывающим термометрам относятся газовые типа ТКЛ-100. Пределы измерения различных типов приборов составляют 50.600°С, длина капилляра — 1,6.40 м.

Широко применяются в устройствах автоматики. Их встраивают в обмотки электродвигателей, если используется устройство температурной защиты, они являются датчиками в регуляторах температуры.


Служат для контроля уровня жидкостей в резервуарах и подачи сигналов о регулировании этого уровня. Такие датчики бывают электродные, поплавковые и мембранные.

Электродный датчик используется для контроля уровня электропроводных жидкостей. Он имеет короткий 1 электрод и два длинных 2, 3, которые укреплены в коробке зажимов (рис.5).

Короткий электрод является контактом верхнего уровня жидкости, а длинный — нижнего уровня. Датчик соединяется проводами со станцией управления двигателем насоса. Когда вода касается короткого электрода, это приводит к отключению пуска — теля насоса. Снижение уровня воды, когда он становится ниже длинного электрода, дает команду на включение насоса. Электроды датчика включены в цепь катушки промежуточного реле К, которое включается во вторичную обмотку понижающего трансформатора напряжением 12 В. При повышении уровня жидкости в резервуаре до уровня короткого электрода 1, образуется электрическая цепь: вторичная обмотка трансформатора — катушка реле К — электрод 1 — жидкость — электрод 2. Реле срабатывает и становится на самопитание через свой контакт К и электрод 3, при этом контакты 6 реле дают команду на отключение электродвигателя насоса. При снижении уровня жидкости, когда он становится ниже уровня электрода 3, реле отключается и включает электродвигатель насоса.

Применяется в отапливаемых помещениях для контроля уровня неагрессивных жидкостей. На рис.6 показано схематическое устройство реле. В резервуар 10 погружается поплавок 1, подвешенный на гибком контакте через блок 3 и уравновешенный грузом 6. На контакте закреплены упоры 2 и 5, которые при предельных уровнях жидкости в резервуаре поворачивают коромысло 4 контактного устройства 8. При поворотах коромысло замыкает соответственно контакты 7 или 9, включающие или отключающие электродвигатель насоса.

Для определения уровня сыпучих материалов в бункерах используются мембранные датчики уровня, которые крепятся в отверстии стенки бункера. В них мембрана воздействует на контакты, замыкая или размыкая цепь управления загрузочными или разгрузочными устройствами.

Датчики пути и положения рабочих органов обеспечивают создание управляющих сигналов в зависимости от пройденного пути или положения рабочих органов управляемого объекта.

Представляют собой конечные, путевые выключатели, микропереключатели. Они кинематически связаны с рабочими механизмами и управляющим приводом в зависимости от пути, пройденного рабочим механизмом. Выключатель, ограничивающий ход рабочего механизма, называется конечным выключателем. Путевые выключатели могут координировать работу нескольких приводов, производя их пуск, останов, изменяя скорость в зависимости от положения, которое занимает механизм рабочей машины. Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавливаю на неподвижных частях рабочих органов в определенно положении, а движущиеся рабочие органы, на которых укреплен кулачки, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание. По характеру перемещения измерительного (подвижного) органа выключатели подразделяются на нажимные, когда шток совершает прямолинейное движение (рис.7), и рычажные, когда движение передается через устройство в виде рычага, которые поворачивается на некоторый угол (рис.8).

Выключатели, у которых срабатывание контактов зависит от скорости движения упора, называются выключателями простого действия, а те, у которых переключение не зависит от скорости движения упора, называются моментными.

Нажимные выключатели выпускают в основном простого действия (рис.7).

Выключатель состоит из основания 1, шток 4, опирающегося на сферическую поверхность втулки 7, неподвижных контактов 6, несущей мостики — подвижных контактов 5.

Для более надежного включения подвижные контакты 5 и неподвижные 6 поджимаются пружиной 2. При воздействии усилия шток 4 перемещается, и контактные мостики переключают, т.е. отключают размыкающие контакты и включают замыкающие.

У выключателей моментного действия (рис.8) на клеммных основаниях 1 укреплены неподвижные контакты 2. Мостик подвижных контактов 6 смонтирован на рычаге 3. Подвижный (измерительный) рычаг 5 связан с поводком 10 не жестко, а через набор ленточных пружин 11 (во избежание отказа выключателя при поломке пружины).

Планка 7 связана с рычагом 3, при его повороте шарик 8 под действием пружины 9 заставляет планку 7 мгновенно переключать контакты в момент освобождения ее защелки 13. Контакты возвращаются в исходное положение под действием вилки 4 под любым углом в пределах 45° от оси выключателя.

( Преобразователи) широко используются для измерения различных физических величин. Разновидность этих датчиков являются индуктивные преобразователи, созданные на основе принципа изменения индуктивности электромагнитной катушки в зависимости от сопротивления магнитно цепи. На рис.9 приведена схема однообмоточного датчик линейных перемещений. При перемещении подвижного сердечник 3 относительно неподвижного 2 изменяется воздушный зазор б. Это приводит к изменению магнитного сопротивления цепи и, следовательно, индуктивной составляющей сопротивления обмотки 1. Между индуктивным сопротивлением обмотки и величиной воздушного зазора существует функциональная зависимость

Устройство и принцип действия датчиков 1

если пренебречь магнитным сопротивлением стали.

В схемах управления электроприводами станков, механизмов и машин применяются преобразователи пути, которые работают без механического воздействия со стороны движущегося упора. Широкое распространение получили бесконтактные переключатели щелевого типа с транзисторными усилителями, работающими в генераторном режиме.

На рис.10, а показан общий вид переключателя типа ВВК-24. Его магнитопровод, размещенный в корпусе 4, состоит из ферритовых сердечников 1 и 2 с воздушным зазором шириной 5.6 мм между ними. В сердечнике 1 находится первичная обмотка Wk и обмотка положительной обратной связи Wп. с., в сердечнике 2 — обмотка отрицательной обратной связи Wо. с. Такой магнитопровод исключает влияние внешних магнитных полей. Катушки обратной связи включены последовательно встречно. В качестве переключающего элемента используется алюминиевый лепесток (пластинка) 3 толщиной до 3 мм, который может перемещаться в щели (в воздушном зазоре) магнитной системы датчика. Если лепесток находится вне сердечника, то разность напряжений, индуктируемых в обмотках Wп. с. и Wо. с., будет положительной — транзистор VT1 закрыт и генерация незатухающих колебаний в контуре Wk — С3 (рис.10,6) не возникает. При введении лепестка в щель датчика взаимосвязь между катушками Wk и ослабляется (поэтому лепесток еще называют экраном), на базу транзистора VT1 подается отрицательное напряжение, и он открывается. В контуре Wk — СЗ возникает генерация и появляется переменный ток, который индуктирует ЭДС в катушке Wп. с. в цепи базы транзистора VT1 в которой происходит детектирование переменной составляющей тока базы. Транзистор открывается, вызывая срабатывание реле К.

Для стабилизации работы транзистора, при колебании температуры и напряжения, служит нелинейный делитель напряжения, который состоит из линейного элемента R1, полупроводникового терморезистора R2 и диода VD2. Погрешность срабатывания составляет 1.1,3 мм, напряжение питания переключателя БВК-24 — 24 В.

Переключатель отличается высокой надежностью, большой допустимой частотой срабатывания и быстродействием. Основными элементами бесконтактного путевого переключателя типа БСП-11 (рис.11) являются трансформаторный датчик и полупроводниковый триггер с одним устойчивым состоянием. На сердечниках 1 и 2 магнитной системы размещены встреч — но включенные вторичные обмотки W1 и W2 . На оба сердечника намотана первичная обмотка W3 . Магнитная цепь обмоток W2 — W3 замыкается перемещаемым якорем 3, а магнитная цепь обмоток W2 — W3 замкнута магнитной пластинкой 4 постоянно. При разомкнутой цепи обмоток W3 — W1 ток первичной обмотки наводит переменную ЭДС Е1 в обмотке W1 , одна половина которой в точке А создает положительный потенциал, когда напряжение на коллекторе транзистора VT1 и на базе транзистора VT2 отрицательное. Транзистор VTI закрыт, а VT2 открыт. Напряжение на выходе практически равно нулю, поскольку транзистор VT2 шунтирует выходную цепь. Когда якорь 3 передвинется и замкнет цепь обмоток W2 — W3 , обмотке W2 будет наведена переменная ЭДС Е2, которая уравновешивает ЭДС Е1. При этом положительный потенциал в точке А исчезнет, транзистор VТI откроется, а VТ2 — закроется, и на выходе схемы появится напряжение. Бесконтактный путевой переключатель БСП-11 смонтирован в пластмассовом корпусе.

Магнитоуправляемые контакты впаяны в стеклянную колбу, заполненную азотом или инертным газом, т.е. изолированы от внешней среды (герметизированы), поэтому сокращенно их называют герконами, что значит «герметизированные контакты». Контакты 1 (рис.12) изготавливают из сплава железа с никелем. Если к стеклянной колбе 3 геркона поднести постоянный магнит 5 с полюсами М и В (рис.12, б), то контакты 1 намагничиваются и притягиваются друг к другу. При перемещении магнита на некоторое расстояние контакты разомкнутся. Герконовое электромагнитное реле. Если вместо постоянного магнита на стеклянной колбе 3 геркона расположить обмотку управления постоянного тока 4 (рис.12, а), то при включении реле по катушке будет протекать ток, образуется магнитное поле, которое намагничивает контакты 1. В результате они будут притягиваться, друг к другу и при этом замкнут цепь управления.

Герконы и герконовые реле отличаются малыми габаритами, незначительной массой, высокими быстродействием и надежностью, виброустойчивостью, стабильностью контактного сопротивления.


Представляют собой небольшие генераторы постоянного тока с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. (рис.13, а) Они устроены так же, как и обычные машины постоянного тока. Основной характеристикой тахогенераторов является зависимость выходного напряжения Uвых от угловой скорости w:вых =kТГ w Схема асинхронного тахогенератора переменного тока показана на рис.13, б. Устройство таких тахогенераторов не отличается от устройства асинхронного однофазного двигателя. Для измерения частоты вращения вал двигателя механически соединяется с валом тахогенератора посредством передачи или встраиваются в машины.


Датчики Холла созданы на основе эффекта Холла — электромагнитном эффекте, в основу которого положено отклонение движущихся электронов в магнитном поле.

В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила, вектор которой действует перпендикулярно направлению как магнитной, так и электрической составляющих поля. Если внести в магнитное поле с индукцией В (рис 15, а) полупроводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимонида индия), через которую протекает электрический ток, то на боковых сторонах перпендикулярно направлению тока возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорционально току и магнитной индукции.

Датчик состоит из постоянного магнита 2, пластины полупроводника 1 (рис.15, б) и интегральной микросхемы. Между пластинкой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран 3. Когда в зазоре нет экрана 3, то на пластинку 1 полупроводника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциалов. Если в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластинку не действуют. В этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.

В схемах электроавтоматики широко применяются фотодатчики с раздельной установкой излучателя 1 и приемника 2 (рис. 16, а) или совмещенной установкой излучателя 1 и приемника 2 в одном корпусе (рис.16, б), преобразующие энергию света в электрический сигнал. Срабатывание фотодатчика происходит при пересечении светового луча каким-либо предметом. Фотодатчики используют в схемах защиты, которые обеспечивают отключение установки при попадании в опасную зону обслуживающего персонала, для подсчета деталей, контроля целостности режущего инструмента и т.д. Фотореле разрабатываются на базе фотоэлементов и применяются для управления наружным освещением улиц, площадей, территорий предприятий.

Реле времени. В качестве датчиков времени могут использоваться реле времени различной конструкции.

Постоянного тока реле состоит из неподвижной части магнитопровода 2 (рис 17) и подвижной части магнитной системы (якорь 6).

На неподвижной части магнитопровода установлена катушка 1. Реле имеет неподвижные контакты 8 и подвижные 9, укрепленные на подвижной части. Реле включается, как и электромагнитное реле, без выдержки времени. При подаче напряжения на катушку реле 1 якорь 6 притягивается к сердечнику 2.

Выдержка времени обеспечивается за счет замедления возврата якоря в исходное положение при отключении напряжения с катушки. Замедление обеспечивает медная гильза 3, которая и создает выдержку времени. Спадающий магнитный поток создает в гильзе по закону Ленца ЭДС и ток, направленный таким образом, что поток, создаваемый гильзой, препятствует уменьшению магнитного потока в магнитопроводе. Замедленное уменьшение потока создает выдержку времени при отпускании якоря 6. Наличие медной гильзы замедляет уменьшение магнитного потока, т.е. якорь на некоторое время удерживается на сердечнике магнитопровода, а затем отклоняется, следовательно, происходит и переключение контактов реле с выдержкой времени. Выдержка времени регулируется ступенчато количеством или размером гильз, насаженных на магнитопровод, а также размерами немагнитной прокладки 7 определенной толщины, закрепленной на якоре 6 (уменьшение толщины прокладки вызывает увеличение выдержки реле и наоборот).

Предусмотрена и плавная регулировка за счет изменения натяжения пружины 4 с помощью гайки 5. Чем меньше затянута пружина, тем больше выдержка времени и наоборот.

Выпускаются несколько типов электромагнитных реле времени. Реле РЭВ 811. РЭВ 818 обеспечивают выдержку времени 0,25.5,5 с. Изготавливают с катушками, рассчитанными на напряжение постоянного тока 12, 24, 48, 110, 220 В.

Состоит из электромагнита, пневматического демпфера замедлителя и микропереключателя. При подач напряжения, на катушку 3, якорь — электромагнит 4, двигаясь по направляющим 2, втягивается внутрь катушки и освобождает хвостовик 5, связанный с диафрагмой 10. Нижняя полость 7 диафрагм свободно сообщается с атмосферой, а верхняя полость 11 — через регулируемо отверстие (дроссель 14 и выпускного клапана 8).

В связи е этим скорость перемещения хвостовика зависит от сечения дросселя, так как через него поступает воздух из воздушно камеры 12 (через отверстие 14) в верхнюю полость диафрагмы. Сечение дросселя регулируется с помощью иглы 13 и гайки 15, причем, чем больше сечение дросселя, тем меньше выдержка времени реле. Переключение контактов происходит в тот момент, когда хвостовик опускается в крайнее нижнее положение и рычагом 17 нажимает кнопку переключателя 16. Типа РВП 72 (рис.18)

В схемах этих реле используются полупроводниковые элементы (транзисторы).

Выдержка времени реле определяется временем заряда или разряда конденсаторов.

В исходном положении контакт К замкнут, конденсатор С будет заряжаться с полярностью, показанной на рис. 19.

Команда на начало отсчета времени подается при размыкании управляющего контакта К. После этого конденсатор С начинает разряжаться через резистор R2 переход эмиттер-база транзистора VT2 отрицательного потенциала. Транзистор откроется, по обмотке реле KV начнет протекать ток, оно сработает и переключит контакты. Отсчёт времени закончится. Выдержка времени реле определяется временем разряда конденсатора С, которое зависит от величины его емкости и сопротивления резистора R2.

Регулируя эти величины, можно установить необходимую выдержку времени реле.

Выпускаются электронные реле времени серий ВЛ46, ВЛ56, которые обеспечивают выдержку времени 0,1.10 мин.

В качестве датчиков тока и напряжения используются реле тока и напряжения. Их катушки включаются непосредственно в цепь контролируемого электроприемника (двигателя).

В некоторых схемах реле включаются с трансформаторами тока и напряжения, что позволяет отделить цепи управления от силовых цепей. Когда ток достигнет уровня срабатывания или отпускания реле, происходит соответствующее переключение контактов в цепи управления двигателем. Реле тока реализуют минимально — и максимально-токовую защиту электродвигателей, систем электроснабжения промышленных предприятий.


Правила устройства электроустановок. — М.: Главгосэнергонадзор, 1998.

Чинухин А.А. Электрические аппараты. — 3-е изд., перераб. И доп. — М.: Энергоатомиздат, 1988.

Пижурин А.А. Электрооборудование и электроснабжение лесопромышленных и деревообрабатывающих предприятий. — 2-еизд., перераб. И доп. — М.: Лесн. пром-сть, 1987.

Шихин А.Я., Белоусов Н.М., Пухляков Ю.Х. и др. Электротехника/ Под ред.А.Я. Шихина. — М.: Высшая школа, 1988.

Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций подстанций. 3-е изд., перераб. И доп. — М.: Энергоатомиздат, 1987.

. Саримов Р.А. Справочник электрика. — М.: КуБК — а, 1997.

. Москаленко В.В. Электрический привод. — М.: Высшая школа, 1991.

. Атабеков В.Б. Ремонт электрооборудования промышленных предприятий. — 4-е изд., перераб. И доп. — М.: Высшая школа, 1979.

. Вернер В.В. Электромантер-ремонтник. — 7-е изд., перераб. И доп. — М.: Высшая школа, 1987.

. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электрические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990.


Устройство и принцип действия датчиков 2

Рис.3. Схема манометрического термометра:

— манометрическая пружина;

2 — стрелка; 3 — ось; 4 — поводок;

5 — капилляр; 6 — термобаллон.

Рис схема манометрического термометра  1

Рис 4. Схема электроконтактного манометра:

— стрелка; 2 — шкала; 3 — зажимы выводов;

4 — контакты подвижные.

Рис схема электроконтактного манометра  1

1 — поплавок; 2,5 — упоры; 3 — блок; 4 — коромысло; 6 — груз;

7 — контакт; 8 — контактное устройство; 9 — контакт; 10 — резервуар.

Рис схема электроконтактного манометра  2