10.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

Внедрение в нашей стране Государственной системы приборон (ГСП) позволило наладить выпуск датчиков, преобразователей, исполнительных механизмов и других устройств и средств автома­тизации с унифицированными входными и выходными парамет­рами.

Все изделия ГСП составляют четыре основные группы, в каж­дую из которых входят определенные устройства.

К первой группе относятся средства получения информации о со­стоянии объектов управления, регулирования и контроля. Эти сред­ства включают в себя измерительные элементы (датчики) и состоят из первичных измерительных (для перевода любого контролируемо­го параметра в физическую величину — усилие, напряжение, силу тока и т. п.) и нормирующих (для перевода выходного сигнала в унифицированный) преобразователей.

Вторая группа представлена средствами приема, переработки и дальнейшей передачи информации, полученной от измерительных элементов, а также для преобразования и передачи управляющих команд. Эта группа представляет собой усилители сигналов, каналы связи, преобразователи и сравнивающие устройства (преобразую­щие устройства) и состоит из устройств телемеханики, телеуправле ния, телесигнализации, шифраторов, дешифраторов, согласования и др.

В третью группу входят средства получения информации о за­дачах автоматического управления, регулирования и контроля. Они включают в себя запоминающие и программные устройства, выпол ненные на базе микропроцессоров и микро-ЭВМ (задающие устрой­ства).

Четвертая группа включает в себя средства регулирования пара­метров контролируемых процессов (исполнительные устройства), состоящие из усилителей входных сигналов и исполнительных меха­низмов, преобразующих указанные сигналы в энергию механичес­ких перемещений.

Следует отметить, что не все вышеуказанные элементы исполь­зуются во всех автоматических системах, хотя в то же время отдель­ные элементы способны выполнять сразу несколько функций. Так, центробежный регулятор частоты вращения вала двигателя в систе ме прямого воздействия является одновременно и измерительными 1 исполнительным элементом.

В соответствии с приведенной классификацией рассмотрим ос­новные устройства, используемые в системах автоматики.

Датчики (измерительные преобразователи) являются основным средством измерения, преобразующим измеряемую или контроли­руемую физическую величину (давление, усилие, температуру и т. д.) в - выходной, обычно электрический сигнал, предназначенный для дальнейшей регистрации, обработки и передачи к исполнительному механизму. Первичный преобразователь, непосредственно воспри­нимающий параметр состояния, т. е. естественную входную ве­личину, называется чувствительным элементом датчика. Если тре­буется получить сигнал о параметре в другой, более удобной для использования форме, то в системе датчика может устанавливаться второй нормирующий преобразователь, приводящий выходной сиг­нал в унифицированный.

Датчики классифицируют по ряду признаков: по назначению — силовые, скоростные, температурные и др. (табл. 10.1);

Таблица 10.1. Основной тип датчиков систем управления н контроля, используемых в строительных и дорожных машинах и оборудовании Измеряемые параметры Тип датчика Механическая деформация Измеритель смещения, датчик давления, датчик массы Частота Доплеровский измеритель скорости Температура Термометр, пирометры излучения, датчик уровня жидкости Давление Измеритель нагрузки, расходомер Влажность, состав газов Гигрометр, газовый сигнализатор Звук (в том числе ультразвук) Эхолот, устройства неразрушающего кон­троля Свет (в том числе инфракрасное излучение) Фотодатчик, датчик цвета Радиация, рентгеновское излучение Датчик уровня, рентгеновский томограф Волновое излучение Радар, измеритель скорости

по принципу действия — механические, электрические, тепловые, акустические, оптические, радиоактивные;

по способу преобразования неэлектричес­ких величин в электрические — активные (генератор­ные) и пассивные (параметрические).

В генераторных датчиках энергия входного сигнала преоб­разуется (баз участия вспомогательных источников энергии) в электрическую энергию выходного сигнала (ток, напряжение, элек­трический заряд). В параметрических датчиках под действием входного сигнала изменяется какой-либо собственный параметр

датчика (емкость, сопротивление, индуктивность). При этом схема включения таких датчиков всегда имеет внешний источник пита­ния.

По конструкции и принципу действия чувствительного элемента датчики подразделяют на контактные и бесконтактные. При этом в контактных датчиках чувствительный элемент взаимодействует не­посредственно с контролируемым объектом, а в бесконтактных это взаимодействие отсутствует. К последним относятся фотоэлек­трические, ультразвуковые, радиоактивные и специальной конст­рукции щуповые датчики.

Работа датчиков определяется их статическими, динамическими и частотными характеристиками и оценивается величиной входных и выходных сигналов, чувствительностью, инерционностью и по­грешностью. Так как измерение одной и той же физической ве­личины может выполняться с помощью различных датчиков, то их выбор должен обеспечить технические требования, предъявляемые к разрабатываемой системе автоматики технологическим процессом, конструкцией и спецификой эксплуатации машины.

Рассмотрим основные разновидности датчиков, используемых в строительных и дорожных машинах и оборудовании.

К наиболее простейшим устройствам относятся конечные вы­ключатели, ограничивающие линейные или угловые перемещения механизма. В первом случае (рис. 10.6, а) при достижении маши­ной (башенным, козловым, мостовым кранами) во время переме­щения по подкрановым путям крайнего положения линейка ограничителя 2 нажимает им рычаг 1 конечного выключателя и, перемещая его, отключает контактную группу 3, прерывая подачу электроэнергии к механизму передвижения. Во втором случае (рис. 10.6, б) перемещение и укладка каната на барабане грузоподъем­ной машины производится с помощью шпиндельного выключате­ля. Он состоит из ходового винта 1, установленного в опорах и соединенного с приводом барабана зубчатой (или цепной) пере­дачей 3. При вращении винта гайка 2 с удерживаемым канатом пе­ремещается вдоль него в одну или другую сторону до момента наезда на переключатели 4, в результате чего происходит от­ключение управляющей цепи и последующее включение с направ­лением движения в обратную сторону.

3 4 5 6 7 Рис. 10.7. Микропереключатель

В автоматических системах широко используются и микропереключатели (рис. 10.7). Они состоят из корпуса 3, в котором закреплены пластины непод­вижных замыкающего 1 и размыкающе­го 2 контактов, а также подвижного контакта 5 и работающая совместно с ним фигурная пружина 4. Толкатель 7 оснащен возвратной пружиной 6 и при­водится в движение рабочим органом, положение которого контролируется, при достижении им конечного положе­ния. При этом второй контакт обычно используется для включения механизма реверса.

Из генераторных преобразователей наибольшее распростране­ние имеют резистивные преобразователи неэлектрических величин, действие которых основано на изменении омического сопротивле­ния от воздействия изменяемой величины. К таким преобразовате­лям относятся различные конструкции потенциометрических датчиков, преобразующих линейные и угловые перемещения в элек­трический сигнал. Они выполняются в виде переменного сопротив­ления, т. е. представляют различные конструкции реостатов, под­вижный контакт которых связан с преобразуемым элементом. Эти преобразователи состоят из каркаса прямоугольного, круглого или кольцевого сечения (рис. 10.8, а, б), изготовленного на керамики, пластмасс или алюминия, покрытого токонепроводящим лаком. На

Рис. 10.8. Реостатные преобразователи

каркас может наматываться эмалированная или оксидированная и покрытая лаком проволока из константана, нихрома, манганина, а также нанесен слой полупроводника или металлической пленки. Подвижная токосъемная щетка скользит по зачищенной контакт­ной дорожке (непосредственно по проволоке или по соединенным с ней контактам).

Наряду с рассмотренными преобразователями при измерении углов наклона конструкций и рабочих органов строительных ма­шин используются также и преобразователи, в которых высокоом­ное сопротивление шунтируется ртутью или проводящей жидко­стью (рис. 10.8, в). При необходимости получения нелинейной характеристики в системах автоматики применяются линейные пре­образователи с шунтирующими сопротивлениями (рис. 10.8, г), а также функциональные преобразователи с профилированным или ступенчатым каркасом, позволяющим получать переменные рези­сторы с квадратичной, логарифмической или другой функциональ­ной зависимостью.

При значительных изменениях давлений, а также для измере­ний деформаций в элементах конструкций и узлов машин исполь­зуются тензометрические и пьезоэлектрические преобразователи. Их работа основана на явлении тензометрического эффекта, т. е. на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента от его деформации. В качестве чувствительных элемен­тов, называемых тензолитами, в датчиках используются стержни из порошка сажи, графита или угля, наклеенные на полоске бу­маги 2 (рис. 10.9, а). Однако наибольшее распространение по­лучили датчики с проволочными элементами из константана. нихрома или фольги. Проволока диаметром 0,02...0,05 мм или фольга 1 с медными выводами 3 наклеивается в виде прямоуголь­ных или кольцевых петель на бумагу или пленку из изоляционно­го материала 2 (рис. 10.9, б, в, г). Тензопреобразователи приклеиваются на поверхность детали 4, деформация которой из­меряется, и с помощью соединительных проводов подключается к измерительному электрическому мосту. Схема подключения зави­сит от количества тензодатчиков и вида измеряемой деформации (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). При этом, если деталь или

конструкция сжимается или растягивается, то вместе с ней дефор­мируются и наклеенные датчики, изменяющие величину своего сопротивления. Тензодатчики обычно включаются по мостовой схеме.

В последнее время широкое применение получили полупроводни­ковые тензодатчики из германия и кремния, чувствительность кото­рых в 50... 100 раз выше проволочных, а значительный уровень выходного сигнала позволяет обходиться без усилительной аппара­туры. Однако они имеют и существенные недостатки, одним из ко­торых является значительно пониженные температурные характеристики.

С помощью пьезоэлектрических пре­образователей механическая энергия пре­образуется в электрическую в связи с воз­никновением электрических зарядов на поверхностях кристаллов некоторых ди­электриков (например, титаната бария) при механическом воздействии на них.

Пьезоэлектрический датчик усилий (рис.

Рис. 10.10. Пьезоэлектрический преобразователь

10.10) представляет собой корпус 1, в ко­тором расположены пьезоэлектрические пластины 2. Усилия F передаются на пла­стины через опорные плиты 3, а получен­ный сигнал снимается с металлических об­кладок 4.

К этому же типу датчиков относятся металлические и полупроводниковые тер­мометры сопротивления, предназначен­ные для измерения температуры в диапа-

зоне от -50 до +180°С для медных и от -250 до +650°С для платиновых термометров сопротивления.

В параметрических датчиках, представляющих индуктивные и емкостные преобразователи, питание осуществляется от переменно­го тока. Принцип работы этих преобразователей основан на измене - 11 ни реактивного сопротивления в зависимости от величины зазора межд> неподвижной и подвижной частями.

Имеется много различных конструкций индуктивных преобразо­вателей. Наибольшее распространение получили преобразователи с подвижным якорем (рис. 10.11, а) и соленоидного типа (рис. 10.11, б). Они используются для измерения небольших линейных и

4-

угловых перемещений, деформаций и в управ­лении следящими сис­темами. Преобразова­тель состоит из магни - топровода 2 с обмот­кой 1 и якоря 3, соеди­ненного с рабочим ор­ганом машины или ОГП кранов. Измене­ние воздушного зазора 5, представляющего входную величину, изменяет, в свою очередь, индуктивность и сопротивление обмотки дросселя. При этом уве­личение зазора уменьшает индуктивность и сопротивление обмотки и ведет к увеличению тока.

Дифференциальные трансформаторы с подвижным сердечником используются в основном в электрических измерительных преобра­зователях с силовой компенсацией в качестве индикатора рассогла­сования. Такой преобразователь представляет цилиндрический кар­кас с перемещающимся сердечником. По всей длине каркаса навита первичная обмотка W, поверх которой симметрично расположены две вторичные обмотки W{ и Wi', выполненные в виде двух одина­ковых катушек. Индикатор уровня типа ДИУ-СЧА (рис. 10.12, а) устроен и работает следующим образом. Сердечник 1, перемещаю­щийся внутри катушек с обмотками, связан посредством жесткой тяги 3 с поплавком 4, находящимся в баке 5 с контролируемой жид­костью. Для уравновешивания выталкивающей силы при изменении уровня жидкости и соответствующего перемещения поплавка и сер­дечника служит пружина 2. При положении сердечника в средней части трансформатора во вторичных обмотках индуктируются оди­наковые электродвижущие силы (ЭДС) и разность потенциалов AU на выходе трансформатора равна нулю. Перемещение сердечника вверх вызывает увеличение ЭДС индуктируемой в обмотке Wi, ее

К вращающемуся устройству строи­тельной машины

Рис. 10.12. Дифференциальные трансформаторы с подвижным сердечником

уменьшение в обмотке Wi' и появление сигнала AU на выходе, значение которого фиксируется прибором КСД-3.

Работа широко используемого поворотно-трансформаторного датчика (рис. 10.12, б) состоит в изменении индукции в обмотках датчика W при угловом перемещении сердечника (ротора) с обмот­кой WB, соединенного с поворотным устройством строительной ма­шины. На обмотку возбуждения WB подается входное напряжение Um, а с обмоток W снимается выходное напряжение С/ВЫх. При фик­сированном установочном положении ротора ЭДС в обмотках W равны между собой и иВЫх = 0. После перемещения ротора в обмот­ках W создаются различные значения ЭДС и происходит изменение напряжения {Увых от минимального до максимально возможного (При Otmax = 90°).

Тахогенераторы представляют собой маломощные (до 100 Вт) электрические машины переменного или постоянного тока для пре образования скорости механического вращения в электрический сигнал. Тахогенератор переменного тока (рис, 10.13, а) состоит из ряда расположенных на статоре 1 обмоток 2, соединенных между собой последовательно. Ротор 3 является постоянным магнитом и выполняется в виде специальной звездочки или стержня с числом полюсов, равным числу обмоток. Тахогенератор постоянного тока (рис. 10.13, б) является аналогичным генератором с независимым возбуждением от постоянных магнитов 2, установленных ^ стато­ре 1. В пространстве между полюсами магнита вращается якорь ге­нератора с обмоткой, с контактной дорожки которого с помощью щеток снимается значение ЭДС. На выходе с тахогенераторов сни­мается напряжение, пропорциональное частоте вращения.

Емкостные преобразователи в общем случае представляют со­бой конденсатор, емкостное сопротивление которого изменяется при изменении входной регулируемой величины (зазора между под­вижной и неподвижной частями). Эти преобразователи делятся на

Рис. 10.13. Тахогенератори

конструкции с переменной длиной зазора (рис. 10.14, а) и с перемен­ной площадью пластин (рис. 10.14, б). В преобразователе с изменяе­мым зазором измеряемая величина воздействует на среднюю под­вижную пластину, которая изменяет расстояние d между основными неподвижными пластинами. Увеличение значения d при перемеще­нии подвижной пластины ведет" к уменьшению емкости датчика и снижению сопротивления. Этот преобразователь используют для измерения небольших перемещений и величин (усилий, давления и т. п.).

Наряду с рассмотренными в строительных и дорожных машинах и оборудовании применяют и различные виды фото - и термоэлек­трических, ионизационных и других преобразователей.

К датчикам, используемым в строительных и дорожных маши­нах и оборудовании, так же как и ко всем другим элементам и уст-

а) К устройству б) контроля прогиба ленты

ройствам автоматики и к системе в целом, предъявляются особые требования, обусловленные тяжелыми условиями эксплуатации ма­шин. Они должны выдерживать обычные для указанных машин вибрационные и ударные перегрузки, падения напряжения в сети и при рабочей нагрузке. Большое значение имеет и относительная влажность, достигающая 98 %, а также температура окружающей среды, которая может изменяться от -60°С на открытом воздухе до + 150°С в специальных производствах, в том числе в пропарочных камерах. При этом наиболее сильное воздействие может оказать термоудар, как например, при быстром нагреве после запуска охла­жденного до -40°С двигателя машин. Это может оказать разруши­тельное влияние особенно на элементы электроники и соединитель­ные цепи. Одновременно элементы и системы автоматики в целом должны обладать водонепроницаемостью, пыле-, грязе-, влаго - и коррозийной стойкостью, помехоустойчивостью, надежностью, долговечностью и сохранять работоспособность при воздействии паров масел, жидкого топлива и агрессивных примесей выхлопных газов. К основным требованиям следует отнести также необходи­мые, особенно для передвижных машин, быстродействие и точность, простоту конструкции, минимально возможные размеры и массу, удобство эксплуатации и невысокую стоимость.

Возникновение электрического сигнала с информацией о состоя­нии контролируемого или регулируемого параметра обеспечивается разнообразными измерительными схемами с внешними источника­ми питания. Известно, что методы измерений делятся на метод не­посредственной оценки и сравнения. При методе непосредственной оценки (неуравновешенный мост) значения измеряемой величины фиксируются по заранее оттарированным приборам (микрометр, амперметр, динамометр и т. п.). В этом случае погрешность измере­ния определяется классом точности измерительного прибора. Изме­рение методом сравнения (уравновешенный мост) осуществляется путем сопоставления измеряемой величины с образцовой мерой и в соответствии с размером ее погрешности.

в

Наибольшее распространение в сис­теме автоматического контроля и регу­лирования получил нулевой способ сравнения. При этом способе измерений используется уравновешенный мост (рис. 10.15). Четыре плеча мостовой схе­мы СОСТОЯТ ИЗ сопротивлений R...R4.

К точкам «в» и «г» подключен источник питания U. В измерительную диагональ «аб» подключен измерительный прибор.

При этом в одно плечо моста включается датчик, а в соседнее — образцовая мера.

^Строительные машины и основы автоматизации

Два других плеча моста и измерительный прибор образуют дифферен­циальный указатель. Если RRi = R2R4, то разность потенциалов Д U - 0 и мостовая схема находится в равновесии, обеспечивая незави­симость результата измерения от величины напряжения питания. При использовании этого способа ошибка составляет менее 0,5 %. Сигна­лы измерительного моста при необходимости могут быть усилены (особенно в неуравновешенном мосте) и преобразованы в цифровые коды для подачи и обработки на ЭВМ.