КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
1.7. Генераторные датчики 27 Генераторные датчики, предназначенные для преобразования неэлектрических величин непосредственно в электрическую активную величину, такую как ЭДС, напряжение или ток, делятся на: фотоэлектрические; термоэлектрические; пьезоэлектрические; индукционные; гальванические; датчики Холла. Работа фотоэлектрических датчиков основана на явлении фотоэффекта, который бывает трех видов: внешний, внутренний и вентильный. Фотоэффект – это появление свободных электронов в некоторых материалах при воздействии на них фотонов света. Явление фотоэффекта и его теоретическое обоснование было дано в 1888 году российским ученым, проф. А. Г. Столетовым. Если освободившиеся под воздействием света электроны остаются в веществе, изменяя при этом его электропроводность, то фотоэффект называется внутренним, и на нём основана работа всех фоторезисторов. Если такие электроны покидают вещество, то фотоэффект называется внешним. На этом принципе работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Следует заметить, что для работы перечисленных датчиков необходим источник питания. Помимо этого различают вентильный фотоэффект, которым обладают полупроводниковые материалы. В них электроны из освещенного слоя материала переходят в неосвещенный, отделенный от него тонким запирающим слоем (p–n переходом). В результате между слоями вещества, ввиду недостатка электронов в одном слое и избытка их в другом, возникает разность потенциалов, т. е. появляется ЭДС, под действием которой по внешней цепи, подключенной к такому датчику, будет протекать электрический ток, который принято называть фототоком. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются в виде электровакуумных приборов (электронных или ионных) и представляют собой стеклянный баллон с выкачанным изнутри воздухом (вакуумный фотоэлемент) и заполненный инертным газом (газонаполненный фотоэлемент). На внутреннюю поверхность баллона наносится тонкий слой сурьмяно–цезиевого покрытия, выполняющий функции фотокатода, перед которым располагается анод . Под действием электрического поля электроны, вылетевшие с поверхности катода под воздействием фотонов света, устремляются к аноду, обуславливая, таким образом, протекание в цепи с фотоэлементом электрического тока. 28 В газонаполненных приборах величина этого тока возрастает за счет ионизации находящегося в нем газа, т. е. они более чувствительны. Конструкция фоторезисторов аналогична рассмотренным выше хлористо–литиевым электролитическим датчикам, но они значительно меньше размерами, и в них в качестве чувствительного элемента используется полупроводниковый материал из германия или кремния (рис. 1.25б). Рисунок 1.25. Фотоэлектрические датчики: а – вакуумный фотодатчик; б – фоторезистор Все перечисленные фотодатчики характеризуются следующими основными характеристиками и параметрами: световая характеристика; интегральная чувствительность; вольтамперная характеристика. Световая характеристика ф = f(Ф) представляет зависимость фототока от величины светового потока. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейная, что позволяет с высокой точностью измерять величины световых потоков. Интегральная чувствительность – это отношение фототока к потоку лучистой энергии белого цвета (полного спектра) и определяется выражением: Для вакуумных фотоэлементов она постоянна, но для газонаполненных она изменяется и ее необходимо определять при конкретном значении светового потока, т. к. световая характеристика газонаполненных датчиков имеет нелинейный характер за счет ионизации газа. 29 При номинальном анодном напряжении 240 В интегральная чувствительность вакуумных фотоэлементов составляет 20 мкА/лм, а для газонаполненных она возрастает до 100…150 мкА/лм. Необходимо отметить, что все фотодатчики также характеризуются и спектральной чувствительностью к оптическому излучению определенной длины волны, т. е. цвету. Одни из них более чувствительны к коротковолновому (ультрафиолетовому) спектру излучения, другие же, наоборот, – к длинноволновому (инфракрасному). Вольтамперная характеристика ф = f(Uф) – зависимость фототока от величины приложенного к фотоэлементу напряжения позволяет правильно рассчитывать электрические схемы с подобными датчиками. Принципиальная схема включения этих фотодатчиков на примере вакуумного фотоэлемента представлена на рисунке 1.26. Рисунок 1.26. Схема включения фотодатчика Интегральная чувствительность фоторезисторов значительно выше, чем у фотоэлементов, но она зависит от величины напряжения источника питания, а световая характеристика полупроводниковых материалов, используемых для изготовления фоторезисторов, в большинстве случаев, нелинейная. Вентильные фотоэлектрические датчики значительно отличаются от рассмотренных выше фотоэлементов и фоторезисторов. Они являются датчиками–генераторами, световая энергия в которых непосредственно преобразуется в электрическую энергию, и они могут работать без посторонних источников питания. Конструктивно вентильные фотоэлементы (рис. 1.27) представляют собой металлическую основу 4, на которую нанесен слой полупроводникового материала 3, а сверху полупроводниковый материал закрыт очень тонким полупрозрачным слоем металла (золота) 2 с контактным кольцом 1 для токосъема. Величина фототока вентильных фотодатчиков зависит не только от его освещенности, но и от параметров 30 внешней нагрузки этих датчиков, что необходимо учитывать при правильном их использовании. Рисунок 1.27. Вентильный фотоэлемент Современные разработки полупроводниковых материалов и технологий в области микроэлектроники позволили настолько уменьшить размеры подобных фотодатчиков, что на площади менее 1 см 2 их количество составляет свыше 1 млн штук (пикселей). К вентильным фотодатчикам относятся селеновые фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы, получившие в настоящее время очень широкое применение, особенно в системах дистанционного управления совместно со светодиодами. Достоинства фотодатчиков (небольшие размеры, особенно у полупроводниковых, высокая чувствительность, отсутствие механических элементов, малая инерционность) обеспечили им широкое применение для самых различных целей. Фотодатчики используются в приборах, регистрирующих появление или отсутствие светового излучения; в устройствах для измерения освещенности или величины светового потока и в фотореле. В настоящее время они широко применяются для преобразования световой энергии в электрическую в современных цифровых устройствах (компьютерах, видео и фотокамерах). Кроме этого, они входят в состав многих электронных приборов, таких как оптроны и, наконец, они являются основными преобразователями, на которых работают солнечные батареи. Работа термоэлектрических датчиков основана на том, что в контуре, состоящем из двух различных металлов, возникает ЭДС постоянного тока, пропорциональная разности температур, в которой находятся точки соединения (спаи) проводников из этих металлов: e = k*(t1 – t2) 31 Под действием этой термо–ЭДС в контуре будет протекать электрический ток, т. е. в этой термопаре, как принято называть такой датчик, происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Чтобы измерить величину термо–ЭДС, в этот замкнутый контур цепи необходимо включить измерительный прибор – милливольтметр. В результате, по величине, вырабатываемой ЭДС и пропорциональной разности температур левого (рабочего) спая и его свободных концов, по показанию милливольтметра, можно судить о величине температуры рабочего спая. В измерительной технике такой прибор (термопара и милливольтметр) получил название пирометр. Для увеличения чувствительности подобных измерителей температуры используют последовательное соединение нескольких термопар (рис.1.29). Рисунок 1.29. Схема включения термопары Для изготовления термопар используют специальные высокотемпературные сплавы и металлы, позволяющие контролировать более высокие, по сравнению с рассмотренными ранее термосопротивлениями, значения температур (до 2000…2500 о С). Именно поэтому термоэлектрические датчики получили очень широкое применение в металлургии. Включаются термопары либо по схеме непосредственного измерения температуры (пирометры), при котором шкала милливольтметра градуируется предварительной тарировкой, но чаще используется компенсационная измерительная схема, позволяющая значительно повысить точность измерения температуры Помимо рассмотренного прямого термо–эффекта, имеет место и обратный термоэлектрический эффект, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую – явление Пельтье (по имени Ж. Пельтье, французского физика). Но в этом случае используются специальные полупроводниковые материалы, а применяются такие преобразователи для создания высокоэффективных холодильных установок в медицине, биологии, вакуумной технике и физике. Явление термоэффекта необходимо учитывать в строительстве при сооружении конструкций из разнородных металлов, т. к. в подобных сооружениях под действием термо–ЭДС, возникающей в местах контакта этих металлов, из–за влияния вредных окружающих условий (влага, кислотность и пр.) возможно их преждевременное старение и разрушение. 32 Работа пьезоэлектрических датчиков основана на пьезоэлектрическом эффекте. Прямой пьезоэлектрический эффект – это появление электростатических зарядов электричества на поверхности некоторых диэлектриков при их деформации (рис. 1.30). Этим свойством обладают кристаллы кварца, турмалина и некоторых драгоценных камней, а также специально разработанные для этих целей материалы – сегнетоэлектрики (сегнетовая соль, титанат бария, дигидрофосфат аммония и др.). Например, в кристаллах кварца имеются три ортогональных оси: электрическая, механическая и оптическая, но электрические заряды на поверхности кристаллов появляются лишь при деформациях вдоль первых двух осей, а при сжатии вдоль оптической оси пьезоэффект не наблюдается. Так как величина возникающего при деформации заряда мала (чувствительность кварца к давлению составляет лишь 2,1*10 –11 кулон/кг), то для ее увеличения применяются несколько кристаллов, соединенных параллельно или последовательно с учетом полярности. Малая величина заряда, к тому же, создает опасность его быстрого стекания через подключенную нагрузку, поэтому приходится использовать для его измерения специальные электрометрические усилители с очень высоким входным сопротивлением. Рисунок 1.30. Пьезоэлектрический датчик Процесс стекания зарядов ограничивает и область применения пьезоэлектрических датчиков, особенно для контроля процессов, медленно изменяющихся во времени. Однако, высокая собственная частота подобных датчиков позволяет весьма успешно использовать их для измерения быстро изменяющихся (с частотой в несколько килогерц) давлений, усилий, ускорений, вибраций и деформаций. Необходимо отметить, что для диэлектриков также имеет место и обратный пьезоэлектрический эффект – деформация диэлектриков при воздействии на них электрического поля, т. е. под действием приложенного напряжения, и это свойство в устройствах автоматики тоже широко используется. 33 Современные материалы, сегнетоэлектрики, имеют более высокую чувствительность и позволяют получать высокие значения выходного напряжения (до нескольких десятков и даже сотен вольт). Поэтому подобные преобразователи используют в качестве источников электрической энергии в некоторых системах зажигания. Пьезоэлектрические датчики часто применяют в весоизмерительных установках для взвешивания транспорта во время его движения. Кроме этого, они широко используются в качестве акустических излучателей и приемников, в частности, для контроля качественных параметров строительных материалов и конструкций и, конечно, в звукотехнике (микрофоны, звукосниматели и даже громкоговорители). В индукционных датчиках используется явление электромагнитной индукции, т. е. возникновение электродвижущей силы в проводнике при движении его в магнитном поле: е = – Blv или при изменении величины магнитного поля относительно неподвижного проводника согласно закону электромагнитной индукции: е = – dФ/dt Индукционные датчики являются датчиками–генераторами, в которых входная величина (угловое, линейное перемещение или угловая скорость) непосредственно преобразуется в электродвижущую силу. Например, тахогенераторы – датчики угловой скорости, которые представляют собой генераторы постоянного или переменного тока небольшой мощности, вырабатывающие ЭДС, пропорциональную скорости вращения рабочего органа. Для измерения угловых перемещений широкое применение получили вращающиеся трансформаторы и сельси́ны, которые конструктивно также являются электрическими машинами малой мощности, работающими от сети переменного тока. Так, в сельси́нах (рис. 1.31), переменный ток i, проходящий по обмотке возбуждения статора, создает внутри его переменное синусоидальное магнитное поле: Оно, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует в роторных обмотках электродвижущую силу, величина которой зависит от угла поворота ротора сельси́на α относительно его статора. 34 Рисунок 1.31. Схема сельси́на При использовании системы, состоящей из двух сельси́нов, включенных по трансформаторной схеме, её выходное напряжение пропорционально угловому перемещению ротора одного из сельси́нов в определенных пределах изменения этого угла. В гальванических датчиках используется явление электрохимической реакции в растворе электролита с находящимися в нем электродами, а это – возникновение электродвижущей силы в результате восстановительной реакции на положительном электроде и окислительной на отрицательном. Конструктивно эти датчики аналогичны рассмотренным выше электролитическим датчикам, но в гальванических используются электроды, изготовленные из разных материалов и в них происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Величина получаемой при этом ЭДС зависит как от материала электродов, так и от состава электролита. На этом принципе работают все гальванические источники питания, такие как аккумуляторы и батареи, применяемые в качестве автономных источников электрической энергии и рН–метры – приборы для измерения кислотности различных материалов и растворов. В технике широко используются полярографические преобразователи, сочетающие в своей работе свойства и гальванических и электролитических датчиков. Такие преобразователи предназначены для целей качественного и количественного анализа растворов и материалов, результаты которого представляются в виде кривой (вольтамперной характеристики). Этот метод был разработан российским ученым Горовским в 1922 году, и в его основе лежит зависимость между силой тока и концентрацией вещества в растворе, обусловливающей величину этого тока. Основное применение метода – это определение примесей различных металлов (меди, свинца, кадмия, цинка, талия и др.) в реактивах, сплавах, рудах, причем при их очень низкой концентрации. Например, в системах водоснабжения такие датчики используются для контроля наличия тяжелых металлов в питьевой воде. Предназначенные для этого приборы, полярографы, записывают полярограмму – кривую зависимости силы тока, протекающего через раствор (воду) от приложенного напряжения (рис. 1.32). 35 Рисунок 1.32. Пример полярограммы Наличие резкого увеличения тока (скачка на вольтамперной характеристике) при определенном значении напряжения указывает на присутствие в растворе конкретного металла, которому соответствует именно эта величина напряжения. Процентное же содержание металла в растворе определяется величиной этого увеличения (скачка тока) при соответствующем напряжении. Датчик Холла – полупроводниковый преобразователь силы электрического тока в напряжение (ЭДС Холла), действие которого основано на эффекте Холла. Эффект Холла – это возникновение поперечного электрического поля в проводнике или полупроводниковом материале с током, при помещении его в магнитное поле (рис. 1.33). Рисунок 1.33. Принцип работы датчика Холла Датчики Холла в основном используются для измерения величины магнитного поля и магнитной индукции. Они нашли широкое применение в электронике, автоматике, измерительной и вычислительной технике, а также в современных системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время эти датчики применяются в системах бесконтактного измерения ширины железнодорожной колеи новых 36 путеизмерительных вагонов. Использование бесконтактного метода позволяет производить контроль состояния пути при более высоких скоростях движения вагона, что значительно увеличивает производительность за счёт сокращения времени выполнения подобных измерений. 1.8. Схемы включения датчиков Схемы включения датчиков, чаще называемые измерительными схемами, предназначены для преобразования выходной величины датчика, а в большинстве случаев это изменение их внутреннего сопротивления, в более удобную величину для её последующего использования. Это, как правило, электрический ток или изменение напряжения, которые можно либо непосредственно определить с помощью электроизмерительного прибора, либо подать на соответствующее исполнительное или регистрирующее устройство, предварительно усилив. Для этих целей широкое применение получили следующие схемы включения: последовательная; мостовая; дифференциальная; компенсационная. Последовательная схема включения состоит из источника питания постоянного или переменного тока, самого датчика Rx, измерительного прибора или непосредственно исполнительного элемента и, обычно, добавочного сопротивления Rд, которое ограничивает ток в этой цепи (рис. 1.34). Рисунок 1.34. Последовательная схема включения датчиков Подобная схема включения, чаще всего, находит широкое применение лишь с контактными датчиками, для которых Rх = 0 или же Rх = ∞, т. к. при работе с другими 37 датчиками в цепи измерительного прибора всегда протекает электрический ток, определяемый выражением: Незначительное изменение внутреннего сопротивления датчика приводит к очень малому изменению этого тока. В результате используется минимальный участок шкалы измерительного прибора, а точность измерения практически сводится к нулю. Поэтому для большинства других датчиков применяются специальные измерительные схемы, позволяющие значительно увеличить чувствительность и точность измерения. Наиболее часто используется мостовая схема включения, при которой один, а иногда и несколько датчиков определенным образом соединяются совместно с дополнительными резисторами в четырехугольник (так называемый мост Уинстона), у которого имеются две диагонали (рис.1.35). Одна из них, называемая диагональю питания a – b, предназначена для подключения источника постоянного или переменного тока, а в другую – измерительную диагональ c – d включается измерительный прибор. Рисунок 1.35. Мостовая схема включения датчиков При равенстве произведений величин сопротивлений противоположных сторон четырехугольника (плеч мостовой схемы) Rx*R 3 = R 1 *R 2 потенциалы точек c и d будут равны, и ток в измерительной диагонали будет отсутствовать. Такое состояние мостовой схемы принято называть равновесием моста, т. е. мостовая схема сбалансирована. Если же сопротивление датчика Rх от внешнего воздействия изменится, то равновесие будет нарушено и по измерительному прибору будет протекать ток, пропорциональный изменению этого сопротивления. При этом направление этого тока показывает, как изменилось сопротивление датчика (возросло или уменьшилось). Здесь при 38 соответствующем выборе чувствительности измерительного прибора может использоваться вся его рабочая шкала. Рассмотренная мостовая схема называется неравновесной, так как процесс измерения производится при разбалансе моста, т. е. нарушении равновесия. Неравновесная мостовая схема чаще всего используется в тех случаях, когда сопротивление датчика при воздействии внешних сил может изменяться за единицу времени очень быстро, но тогда вместо измерительного прибора целесообразнее использовать регистрирующее устройство, которое и зафиксирует эти изменения. Более чувствительной считается равновесная мостовая схема, в которой в два смежных плеча дополнительно подключается специальный измерительный реостат R (рис. 1.36), оснащенный шкалой и называемый в измерительной технике реохордом. Рисунок 1.36. Равновесная мостовая схема В работе с такой схемой, при каждом изменении сопротивления датчика мостовая схема должна быть вновь уравновешена с помощью включенного реохорда, т. е. до отсутствия тока в измерительной диагонали. В этом случае значение измеряемого параметра (изменение величины сопротивления датчика) определяется по специальной шкале, которой оснащается этот реохорд и проградуированной в единицах измеряемой датчиком величины. Более высокая точность равновесного моста объясняется тем, что отсутствие тока в измерительном приборе зафиксировать легче, чем непосредственно измерить его величину, а уравновешивание моста в подобных случаях, как правило, выполняется с помощью специального электродвигателя, управляемого сигналом разбаланса мостовой схемы. 39 Мостовые схемы включения датчиков считаются универсальными, т. к. питание их может осуществляться как постоянным, так и переменным током, а самое главное, в эти схемы могут включаться одновременно несколько датчиков, что способствует повышению не только чувствительности, но и точности измерения. Рисунок 1.37. Схема включения датчиков Дифференциальная схема включения датчиков строится с использованием специального трансформатора, питаемого от сети переменного тока, вторичная обмотка которого разделена на две одинаковые части. Таким образом, в этой схеме (рис. 1.37) образуются два смежных контура электрической цепи, по каждому из которых протекает свой контурный ток I 1 и I 2 . А величина тока в измерительном приборе определяется разностью этих токов, и при равенстве сопротивлений датчика Rx и дополнительного резистора Rд ток в измерительном приборе будет отсутствовать. При изменении сопротивления датчика по измерительному прибору потечет ток, пропорциональный этому изменению, а фаза этого тока будет зависеть от характера изменения этого сопротивления (увеличения или уменьшения). Для питания дифференциальной схемы используется только переменный ток и поэтому в качестве датчиков здесь целесообразнее использовать реактивные датчики (индуктивные или емкостные). Особенно удобно применять такую схему включения при работе с дифференциальными индуктивными или емкостными датчиками. При использовании подобных датчиков фиксируется не только величина перемещения, например, ферромагнитного сердечника (рис. 1.38), но и направление этого перемещения (его знак), в результате чего изменяется фаза переменного тока, проходящего по измерительному прибору. При этом дополнительно увеличивается и чувствительность измерения. 40 Рисунок 1.38. Схема включения индуктивного дифференциального датчика Следует отметить, что для увеличения точности измерения в некоторых случаях применяют другие разновидности подобных измерительных схем, например, равновесные дифференциальные схемы. В такие схемы включают либо реохорд, либо специальный измерительный автотрансформатор со специальной шкалой, а процесс измерения с подобными схемами аналогичен измерениям с равновесной мостовой схемой. Компенсационная схема включения датчиков считается самой точной из всех рассмотренных выше. Работа ее основана на компенсации выходного напряжения или ЭДС датчика равным ему падением напряжения на измерительном реостате (реохорде). Для питания компенсационной схемы используется только источник постоянного тока и применяется она, в основном, с генераторными датчиками постоянного тока. Рассмотрим работу этой схемы на примере использования в качестве датчика термопары (рис. 1.39). Рисунок 1.39. Компенсационная схема включения термоэлектрического датчика Под действием приложенного напряжения U по измерительному реостату протекает ток, который вызывает падение напряжения U 1 на участке реостата от его левого вывода до движка. В случае равенства этого напряжения и ЭДС термопары – е х , ток через измерительный прибор будет отсутствовать. Если величина ЭДС датчика изменяется, 41 необходимо с помощью движка реохорда снова добиваться отсутствия этого тока. Здесь, как и в равновесной мостовой схеме, величина измеряемого параметра, в нашем случае – температуры (ЭДС термопары), определяется по шкале реохорда, а перемещение его движка выполняется чаще всего также с помощью специального электродвигателя, как упоминалось выше. Высокая точность компенсационной схемы обусловлена тем, что в момент измерения электрическая энергия, вырабатываемая датчиком, не потребляется, так как ток в цепи его включения равен нулю. Эту схему можно применять и с параметрическими датчиками, но тогда необходим дополнительный источник постоянного тока, используемый в цепи питания параметрического датчика. |