Устройство и принцип действия датчиков

 

2.10. Электромагнитные  датчики

(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

 

если пренебречь магнитным сопротивлением стали.

 

2.11.  Бесконтактные  путевые выключатели.

 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 —W1ток 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.

 

  2.12.  Герконы.

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.

 

2.13.  Датчики скорости.

Для получения информации о частоте  вращения электродвигателя используются тахогенераторы постоянного и переменного тока, которые преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал.

 

2.14. Тахогенераторы постоянного  тока

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:

                                                          Uвых=kТГw                     

    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.

 

2.15. Электромеханическое реле контроля  скорости.

Реле контроля скорости (РКС) используется, как датчик скорости и предназначено  для работы в схемах торможения электродвигателей, чтобы отключить двигатель от сети после снижения скорости до нуля.  Реле работает по принципу асинхронного двигателя. С валом электродвигателя, частоту вращения которого необходимо контролировать, связан постоянный магнит 3 датчика (рис. 14) через валик 4. Постоянный магнит помещен внутри алюминиевого цилиндра 2, имеющего обмотку в виде беличьей клетки. При вращении ротора двигателя и тем самым магнита 3 уже при небольших скоростях на цилиндр 2 начинает воздействовать вращающий момент, под действием которого он поворачивается и обеспечивает с помощью упора 8 переключение контактов 10. При скорости двигателя, близкой к нулю, цилиндр переходит в среднее положение, и контактная система возвращается в исходное состояние.

 

   2.16.  Датчики Холла

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.

 

      2.17. Фотодатчики.

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.

 

2.18.   Электромагнитное реле  времени

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. 

 

   2.19. Пневматическое реле времени

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)

 

2.20. Электронные реле времени.

 

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.

      Реле напряжения  используются как реле минимального напряжения. При снижении напряжения сети на 50...60 % от номинального или при полном его исчезновении реле отключается и своими контактами отключает питание системы управления.