Устройство и принцип действия датчиков

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение ……………………………………………....…………………….......4

2. Устройство и принцип действия  датчиков ……………………………...........5

2.1. Тепловые датчики …………………………………………...........5

2.2. Термопреобразователи сопротивления  ………………….……...5

2.3. Манометрические термометры ………………………….…........7

2.4. Терморезисторы ….………………………………………....…….7

2.5. Датчики давления ….……………………………………….…….7

2.6. Датчики уровня ….……………………………………….…….....8

2.7. Поплавковые датчики ….……………………………..…………..8

2.8. Мембранные датчики  ………………………………..…………..8

2.9. Электроконтактные датчики ………………………..………........9

2.10. Электромагнитные датчики ………………………..……….…..10

2.11. Бесконтактные путевые выключатели  ………………………....10

2.12. Герконы ……………...……………………………………….…..11

2.13. Датчики скорости ……...………………………………………...12

2.14. Тахогенераторы постоянного  тока ……………………………..12

2.15. Электромеханическое реле контроля  скорости ……..……......12

2.16. Датчики Холла ……………………………………...…………....13

2.17. Фотодатчики …………………………………….....…………….13

2.18. Электромагнитное реле времени  …………………..…………...14

2.19. Пневматическое реле времени  ……………………..…………...14

2.20. Электронное реле времени  ………………………..…….……....15

3. Литература ………………………………………………..…….........................16

4. Приложение……………………………………………………………………..17

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

      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.).

 

2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ  ДАТЧИКОВ.

2.1. Тепловые датчики.

 

         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(Т1, Т0) = f(T1) - f(T0)                                                                                                                                                                              Значение термо-ЭДС зависит от материалов термопары и колеблется от долей до сотен милливольт на 100 0С.

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

 

   2.2. Термопреобразователи сопротивления

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

 Обозначениепровода | Расцветкаизоляциижил | Материал провода | Типтермопреобразователя |

  |  | положительный | отрицательный |  |

 М | КраснаяКоричневая | Медь | Константан | ТХА |

 П | КраснаяЗелёная | Медь | Сплав ТП | ТПП |

 ХК | ФиолетоваяЖёлтая | Хромель | Копель | ТХК |

 

2.3.  Манометрические термометры.

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.

 

      2.4. Терморезисторы

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

   Биметаллические элементы являются датчиками температуры. Принцип их действия основан на свойстве пластинки, сваренной из двух разных металлов, изгибаться вследствие различного удлинения этих металлов при нагревании. Биметаллические элементы применяются в приборах для регулирования температуры различных сред, в промышленных установках и бытовых приборах, в аппаратах защиты — тепловых реле и тепловых элементах расцепителей автоматических включателей.

 

    2.5. Датчики давления

Применяются для измерения давления в различных средах (Электроконтактные манометры). Чувствительными элементами манометров являются плоские или гофрированные мембраны, мембранные коробки, сильфоны и различные манометрические пружины (рис.4). В схемах автоматики используются электроконтактные  манометры типов ЭКМ-1У, ЭКМ-2У, ВЭ-16Рб, пределы, измерения которых составляют 0,1...160 МПа. Схема электроконтактного манометра показана на рис. 4.

 

2.6. Датчики уровня

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.

 

2.7. Поплавковый датчик

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.

 

2.8. Мембранные датчики.

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. 

 

   2.9. Электроконтактные датчики

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.