Датчики

Датчики являются элементами многих систем автоматики и телемеханики. С их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Например, во многих случаях требуется иметь информацию о температуре в каком-либо механизме или агрегате (в двигателе, в печи и т.д.). Иногда это можно сделать с помощью обычного термометра (спиртового, ртутного). Поместив такой термометр в контролируемую среду, через определенное время можно определить температуру среды, сопоставив уровень жидкости в термометре со шкалой.

Однако во многих случаях, особенно в системах автоматики и телемеханики, использовать термометры такого типа неудобно или принципиально невозможно. В частности, сложно измерить температуру жидкости в системе охлаждения двигателя, в плавильной печи и т.д. Очень часто требуется не только измерить температуру, но и передать информацию о температуре на определенное расстояние.

Чтобы передать информацию о температуре на расстояние, эту информацию необходимо представить в виде некоторого сигнала, удобного для измерения и передачи на расстояние. Чаще всего используют электрический сигнал, который можно передавать по проводам в виде напряжения или тока. Поэтому температуру обычно преобразуют в напряжение (или ток), которое измеряют с помощью вольтметра (или амперметра). Поскольку каждому значению температуры соответствует вполне определенное значение напряжения (тока), то шкалу вольтметра (амперметра) можно проградуировать в единицах температуры и по этой шкале оценивать температуру в контролируемой среде. Для преобразования температуры в напряжение служат специальные измерительные преобразователи, называемые датчиками температуры.

Существует большое количество разнообразных датчиков для измерения различных физических величин. Без датчиков невозможно построение систем автоматического управления какими-либо процессами или агрегатами, поскольку в основе такого управления лежит информация о процессах, поступающая в устройство управления.

Широкое применение находят различные датчики и в системах железнодорожной автоматики и телемеханики. Примером такого датчика является рельсовая цепь (РЦ), которая служит для контроля свободности участка пути от подвижного состава и контроля целостности рельсовых линий. Поскольку участок пути может находиться далеко от диспетчера, регулирующего движение, то непосредственно определить, занят или не занят этот участок составом, диспетчер не может. Поэтому информацию о состоянии участка преобразуют с помощью РЦ в электрические сигналы, которые поступают в диспетчерский пункт и управляют лампочками светового табло, отображающего состояние всех объектов диспетчерского участка. Эти сигналы используют также в системах автоблокировки для управления огнями светофоров.

Помимо передачи на расстояние, информацию об измеряемых параметрах бывает необходимо хранить, регистрировать, обрабатывать и т.д. Выполнение этих функций также во многих случаях невозможно без использования датчиков.

Из рассмотренных примеров видно назначение датчика.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы.

Рассмотрим классификацию датчиков.

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины (X) различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), датчики скорости, ускорения, температуры, давления, и др.

По виду выходной величины (Y), в которую преобразуется входная величина, различают: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Действие всех датчиков основано на использовании различных физических, химических и других явлений, для которых существует однозначная функциональная связь между двумя физическими величинами.

Если при построении датчика удается подобрать и без больших технических трудностей использовать какое-либо явление, которое позволяет непосредственно преобразовать входную (измеряемую) величину X в выходную величину Y, то датчик, построенный на основе этого явления, называют датчиком с непосредственным преобразованием. В таком датчике происходит только одно преобразование физических величин. Примером такого датчика является термопара, состоящая из двух соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников). Если контакты (спаи) этих элементов имеют разную температуру, то в цепи термопары возникает ЭДС (термоЭДС), значение которой зависит от разности температур «горячего» и «холодного» спаев. Помещая «горячий» спай в контролируемую среду, можно непосредственно преобразовать температуру этой среды в ЭДС, а вольтметр, измеряющий ЭДС, проградуировать в единицах температуры.

Если не удается найти явление, связывающее измеряемую величину X и нужную выходную величину Y, то величину X можно преобразовать в некоторую промежуточную величину Z, которую далее преобразуют в выходную величину Y. Промежуточных преобразований может быть несколько. Датчики такого типа называют датчиками с промежуточным преобразованием. Эти датчики как бы состоят из нескольких датчиков с непосредственным преобразованием, работающих последовательно, т.е. выходная величина одного из них является входной величиной другого. Примером может служить датчик давления газа или жидкости, преобразующий изменение этого давления в изменение какого-либо параметра электрической цепи (сопротивления R, индуктивности L или емкости C). Давление с помощью упругой мембраны можно преобразовать в перемещение (с увеличением давления на поверхность мембраны ее деформация увеличивается). Деформацию, т.е. перемещение, легко преобразовать в изменение параметров R, L или C.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические.

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал). Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Примером генераторного датчика служит уже рассмотренная термопара, непосредственно преобразующая изменение температуры в изменение напряжения, т.е. тепловую энергию в электрическую. Генераторными являются также пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

Параметрические датчики входную величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.

Основной характеристикой датчика служит его характеристика преобразования (называемая также функцией преобразования, статической характеристикой), выражающая связь между выходной (Y) и входной (X) величинами в установившемся режиме: Y = Y (X).

При этом величиной Y может быть не только выходная величина самого датчика, но и выходной сигнал измерительной цепи, с помощью которой производится преобразование X в Y (в случае использования, например, параметрических датчиков).

Характеристика Y (X) может быть задана аналитически, в виде таблиц или графиков. Для конкретного типа датчика ее можно определить экспериментально или в результате расчета на основе закономерностей, которым подчиняется физическое явление, положенное в основу работы датчика.

На характеристику преобразования Y (X) реального датчика могут влиять различные внешние факторы (напряжение питания измерительной цепи, подключение нагрузки, изменение температуры окружающей среды и т.д.). В результате реальная характеристика Y (X) отличается от характеристики преобразования, соответствующей номинальным режимам работы датчика, и которую можно рассматривать как некоторую идеальную характеристику преобразования. Отклонение реальной характеристики преобразования от идеальной представляет собой погрешность преобразования (измерения).

Различают абсолютную погрешность (D Y), выражаемую в единицах выходной величины Y, и относительную погрешность (d), которую обычно определяют как отношение абсолютной погрешности к разности предельных значений выходной величины и выражают в долях единицы или в процентах:

;

,

где Y - фактическое значение выходной величины датчика, соответствующее реальной характеристике преобразования;

Y _н - значение выходной величины, определяемое по идеальной характеристике преобразования при том же значении X;

Y _макс и Y _мин - максимальное и минимальное значения выходного сигнала датчика (измерительной цепи).

Обычно оценку точности преобразования производят по максимальным значениям D Y и d.

Лекция 2. Реле железнодорожной АиТ

Реле – это электротехническое устройство для автоматической коммутации электрических цепей по сигналу извне (управляющим воздействием).

Реле обычно состоят из воспринимающей и исполнительной частей. Воспринимающая часть реагирует на управляющее воздействие, исполнительная часть воздействует на внешние цепи, замыкая и размыкая их.

Наибольшее распространение получили реле, у которых исполнительная часть представляет собой систему механических контактов, замыкающих и размыкающих цепи. Такие реле называют контактными. Существуют также бесконтактные реле, в которых механические контакты отсутствуют, а коммутацию осуществляет нелинейный элемент, сопротивление которого под действием управляющего воздействия может резко изменяться от очень малого значения до очень большого.

В железнодорожной автоматике и телемеханике в основном используют электрические контактные реле, реагирующие на значения тока или напряжения в управляющей цепи. По принципу действия воспринимающей части такие реле делят на электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, индукционные и др.

Наибольшее распространение получили электромагнитные реле, основным элементом воспринимающей части которых является электромагнит, преобразующий электрический ток, подаваемый в обмотку электромагнита, в механическое перемещение, воздействующее на контактную систему.

В зависимости от рода тока, питающего обмотку электромагнита, различают реле постоянного и переменного тока.

Нейтральными называют такие реле, действие которых не зависит от полярности напряжения на обмотке электромагнита или направления тока в ней, т. е. нейтральные реле реагируют на абсолютные значения этих величин.

Существует много разновидностей нейтральных электромагнитных реле, различающихся конструкциями воспринимающих и исполнительных частей. Тем не менее, в основе действия всех этих реле лежит общий принцип, который можно рассмотреть на примере реле, конструкция которого показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1

Основными деталями этого реле являются: электромагнит, состоящий из обмотки 1 и сердечника 2; ярмо 3; подвижная часть (поворотный якорь) 4; возвратная пружина (плоская) 5; контактные пружины 6 – 8 (контактная система); контактный поводок 9 и штифт отлипания 10.

При отсутствии тока в обмотке якорь удерживается в исходном состоянии (показано на рис. 2.1) возвратной пружиной 5. При этом контакты 7 и 8 замкнуты, контакты 6 и 7 разомкнуты. При подключении к обмотке напряжения питания U _п (ключом S ₁) по ней начинает протекать ток i, который после завершения переходных процессов равен:

,

где R – сопротивление обмотки.

Ток i создает магнитный поток F, который замыкается через магнитопровод (образованный сердечником 2, ярмом 3 и якорем 4) и воздушный зазор d между якорем и сердечником. На рис. 2.1 магнитный поток F условно показан одной линией.

Якорь, ярмо и сердечник изготавливают из магнитомягкого материала (электротехнической стали), поэтому под действием магнитного потока F происходит их намагничивание. В результате этого поверхности якоря и сердечника в области воздушного зазора d становятся разноименными полюсами магнита, которые за счет взаимного притяжения создают электромеханическое (тяговое) усилие f _э, стремящееся переместить якорь в направлении сердечника.

Сила f _э при малых значениях тока i и магнитного потока F мала, перемещению якоря препятствует механическая сила f _м, создаваемая возвратной и контактными пружинами, силами трения и др. Если ток i увеличить до значения, при котором тяговое усилие якоря f _э становится больше силы противодействия f _м, то якорь будет перемещаться в направлении сердечника. Движение якоря через контактный поводок 9 передается подвижному контакту 7, который размыкается с контактом 8 и замыкается с контактом 6. Этот процесс называют срабатыванием реле.

Если ток i уменьшать, то при некотором его значении усилие возвратной пружины и контактных пластин превысит тяговое усилие якоря, реле вернется в исходное состояние. Этот процесс называют отпусканием реле.

Контакты реле, которые при притяжении якоря замыкают цепь тока, называют замыкающими или нормально разомкнутыми, а которые при притяжении якоря размыкают цепь – размыкающими или нормально замкнутыми. У реле железнодорожной автоматики замыкающие и размыкающие контакты принято называть соответственно фронтовыми (Ф) и тыловыми (Т). Контакты, которые при срабатывании реле замыкают одну цепь и размыкают другую (рис. 1), называют переключающими (ФТ) или контактными тройниками.

У реле I класса надежности, обеспечивающих безопасность движения поездов, для возврата якоря в исходное состояние используют силу тяжести якоря или массивного груза на якоре (сила тяжести никогда не исчезает, в то время как пружины со временем могут снизить свою упругость). Примером такого реле может служить реле типа АНШМ2-760 (автоблокировочное, нейтральное, штепсельного исполнения, малогабаритное, имеющее две обмотки с сопротивлениями по 380 Ом), конструкция которого показана на рис. 2.2. Возврат якоря в исходное состояние в этом реле обеспечивается грузом Г. Поэтому рабочее положение реле - только горизонтальное, контактным набором кверху. Для предохранения деталей реле от влияния внешней среды служит прочный пыле-влагозащитный прозрачный колпак.

Рис. 2.2

При отключении обмотки от источника питания ток в ней становится равным нулю, напряженность МП, создаваемого обмоткой, также принимает нулевое значение. Однако, за счет необратимых процессов, в кристаллах элементов магнитопровода сохраняется остаточная намагниченность. При малом значении зазора d эта намагниченность может создать достаточно большую силу притяжения якоря к сердечнику. При этом механическая сила f _м, которая должна обеспечить отпускание якоря, может оказаться меньше силы его притяжения, якорь останется в притянутом состоянии. Это явление называют залипанием якоря.

Чтобы устранить явление залипания, между якорем и сердечником при притянутом якоре следует обеспечить небольшой гарантированный воздушный зазор d₀, при котором сила притяжения якоря, обусловленная остаточной намагниченностью, меньше механической силы f _м. Для образования этого зазора на якорь реле и устанавливают штифт отлипания, называемый также антимагнитным штифтом. Его изготавливают из достаточно прочного материала, не являющегося ферромагнетиком (в противном случае он также будет намагничиваться и иметь остаточную намагниченность). Обычно это бронза или латунь. Высота штифта 0,1 – 0,3 мм. В некоторых реле (например, типа РЭЛ) вместо штифта на якорь устанавливают антимагнитные пластины.

Дата добавления: 2014-11-16