Практикум по электрическим элементам автоматики: Методические указания

КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЭЛЕМЕНТАМ АВТОМАТИКИ Методические указания

Калининград 1999

3

УДК 621.3 Практикум по электрическим элементам автоматики: Методические указания / Калинингр. ун-т - Сост. М.Б. Лещинский. - Калининград, 1999. - 28 с. Дается краткое описание теоретических аспектов построения наиболее распространенных устройств для измерения сигналов в автоматических устройствах. Для самопроверки усвоения материала в конце каждого из разделов сформулированы контрольные вопросы. Решение ряда практических задач позволяет закрепить полученные знания. Предназначено для студентов специальностей «Технология и предпринимательство» и «Организация дорожного движения».

Составитель: канд. техн. наук М.Б. Лещинский.

Печатаются по решению редакционно-издательского Совета Калининградского государственного университета.

© Калининградский государственный университет, 1999 4

Практикум по электрическим элементам автоматики Методические указания Составитель Марк Борисович Лещинский Лицензия № 020345 от 14.01.1997 г. Редактор Н.Н. Мартынюк. Подписано в печать 24.09.1999 г. Формат 60×90 1/16. Гарнитура «Таймс». Бумага для множительных аппаратов. Ризограф. Усл. печ. л. 1,8. Уч.-изд. л. 1,8. Тираж 100 экз. Заказ . Калининградский государственный университет 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14 5

Содержание 1. Устройства для измерения сигналов в автоматических схемах .............. 4 2. Использование в элементах автоматических устройств изменения сопротивления электрической цепи под влиянием внешних механических воздействий ......................................................... 8 2.1. Скачкообразное изменение сопротивления цепи .............................. 8 2.2. Плавное изменение сопротивления цепи ........................................... 9 2.3. Потенциометрическая схема ................................................................ 11 2.4. Измерение давления .............................................................................. 12 3. Тепловое расширение тел и его использование в датчиках температуры .................................................................................................. 14 4. Общие сведения о реле и их назначении ................................................... 15 5. Электромагнитные исполнительные органы ............................................. 18 6. Задачи ............................................................................................................ 23 Список рекомендуемой литературы ............................................................... 27

6

1. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛОВ В АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Измерительное устройство состоит из чувствительного элемента и датчика. Чувствительный элемент реагирует на изменения измеряемой физической величины. Датчик преобразует эти изменения в электрические сигналы. Наибольшее распространение получили параметрические датчики, в которых изменение неэлектрической величины приводит к изменению какого-либо электрического параметра. На рисунке 1 изображен потенциометрический датчик, который служит для измерения линейных и угловых перемещений. Связав движок потенциометра с поплавком, можно измерять высоту h уровня, а следовательно, и количество жидкости в сосуде. Напряжение U на входе поддерживается постоянным (U=const) и равномерно распределено по виткам потенциометра. Напряжение Uh снимается с части витков, которая тем больше, чем выше уровень жидкости. Таким образом, линейное перемещение поплавка измеряется и преобразуется в изменения электрического сигРис. 1. Устройство нала (напряжения) на выходе схемы. потенциометрического датчика На рисунке 2 изображено устройство тензометрического датчика, применяемого для измерения деформации различных деталей. Константановую (с малым коэффициентом температурного расширения) проволоку диаметром несколько десятков микрометров наклеивают на тонкую подложку, обычно из бумаги, которую, в свою очередь, приклеивают к исследуемой детали. ДеРис. 2. Устройство формации детали передаются проволотензометрического датчика ке. Ее длина, площадь сечения и электрическое сопротивление меняются. Измеряя изменение сопротивления проволочки, можно получить точные данные о местных деформациях детали. 7

В последнее время широкое применение получили кремниевые тензодатчики (тензорезисторы). При сжатии под действием давления в полупроводниковом кристалле изменяется состояние энергетических зон, что приводит к существенному изменению его сопротивления. Выпускается несколько десятков модификаций таких тензорезисторов, две из которых показаны на рис. 3, а, б. В радиотехнике и автоматике для получения электрических сигРис. 3. Устройство налов используют индуктивные и полупроводниковых тензодатчиков емкостные датчики, работающие на переменном токе. Устройство индуктивного датчика показано рис. 4. На магнитопровод с переменным воздушным зазором δ намотана катушка, индуктивность которой L зависит от значения δ. Относительная магнитная проницаемость воздуха в тысячи раз меньше, чем железа, поэтому с увеличением воздушного зазора индуктивность катушки уменьшается. Рассмотренный датчик не позволяет получить сигнал на выходе (например, ток) равный нулю. Для Рис. 4. Устройство этого пришлось бы увеличить ининдуктивного датчика дуктивность катушки до бесконечности, что невозможно. Чтобы ввести нулевую точку отсчета и повысить чувствительность к малым изменениям зазора, используют дифференциальные индуктивные датчики, собранные по мостовой (двухконтактной) схеме (рис. 5). При нейтральном положении якоря датчика индуктивности катушек L1 и L2 одинаковы, а следовательно, одинаковы и токи в катушках I1=I2. Падения напряжения на двух других плечах моста Z одинаковы и направлены встречно, а выходное напряжение Uвых=0. 8

При смещении якоря вниз относительно нейтрального положения зазор δ1 увеличится, а зазор δ2 уменьшится. Индуктивность катушки L1 уменьшится, а индуктивность L2 увеличится, равенство токов нарушится (I1≠I2) и появится выходное напряжение Uвых = I1Z - I2Z. При смещении якоря вверх относительно нейтрали фаза напряжения на выРис. 5. Схема двухтактного ходе схемы изменится индуктивного датчика на 180°. Для измерения угловых перемещений применяется дифференциальный трансформаторный датчик с поворотным якорем (рис. 6). Катушки 1 и 3 намотаны встречно, к катушке 2 подведено первичное напряжение. При нейтральном положении поворотного якоря ЭДС, наводимые в катушках 1 и 3, равны и компенсируют друг друга, напряжение на выходе равно нулю. При смещении якоря влево ЭДС первой катушки увеличивается, а второй Рис. 6. Схема трансформаторного - уменьшается. Появлядатчика с поворотным якорем ется выходной сигнал Uвых, равный разности ЭДС катушек и совпадающий по фазе с ЭДС катушки 1. При повороте якоря вправо от нейтрали фаза выходного сигнала изменяется на 180°. 9

Емкостный датчик (рис. 7), помещенный в бак с топливом, которое имеет абсолютную диэлектрическую проницаемость εат, образован двумя коаксиальными трубками. Топливо свободно проникает в промежуток между этими трубками; следовательно, емкость конденсатора зависит от εат. Так как значение диэлектрической постоянной ε0 воздуха значительно отличается от значения εат, то при изменении уровня жидкости в баке изменяется емкость конденсатора, образованного концентрическими Рис. 7. Устройство емкостного датчика трубками. Нетрудно заметить, что емкостный измеритель уровня проще и надежнее в эксплуатации, чем изображенный на рис. 1. В системах автоматического регулирования температуры широко применяют резистивные датчики, изготовленные из полупроводниковых материалов, сопротивление которых изменяется с изменением температуры (терморезисторы). На изменение электрических свойств газовой среды под воздействием радиоактивного облучения основан принцип действия ионизационных датчиков. Используют в автоматике и генераторные датчики, в которых изменение неэлектрической величины вызывает появление ЭДС. К генераторным датчикам относятся индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические преобразователи, тахогенераторы и др. Совершенствование датчиков - это повышение их чувствительности, надежности, а также миниатюризация. Нередко в одном корпусе объединяются собственно датчик и усилитель-преобразователь. Контрольные вопросы 1. Как изменится сигнал на выходе потенциометрического датчика, если напряжение, питающее потенциометр, увеличится (см. рис. 1)? 2. Как нужно приклеить тензометрический датчик (см. рис. 2), чтобы измерить деформации (удлинение, сжатие) цилиндрического стержня? 10

3. Как изменится индуктивное сопротивление катушки при увеличении воздушного зазора между якорем и сердечником индуктивного датчика (см. рис. 4)? 4. При нейтральном положении якоря двухтактного индуктивного датчика (см. рис. 5) напряжение питания U увеличилось. Как изменилось выходное напряжение Uвых? 5. Какой датчик не относится к генераторным? 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНИХ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 2.1. Скачкообразное изменение сопротивления цепи Электрический ток может существовать только в замкнутой цепи; при ее размыкании протекание тока прекращается. Процессы размыкания и замыкания электрической цепи с помощью разных выключателей и представляют собой простейшие случаи внешнего механического воздействия на электрическую цепь, приводящие к изменению сопротивления, т.е. замыкание цепи означает предельное уменьшение сопротивления, а размыкание - увеличение сопротивления до большого значения. Специальные конструкции выключателей используются в автоматике в качестве простейших датчиков перемещения. Это так называемые контактные датчики. Один из случаев использования контактного датчика для автоматизации контроля представлен на рис. 8. Пусть изделия И, например шарики, должны изготовляться с номинальным значением диаметра DH. При этом допускается определенное отклонение от номинального значения ≠ΔD. Это доРис. 8. Контактный датчик для автоматического контроля диаметра шариков пуск. Считается, что шарики удовлетворяют требованиям, 11

если их диаметр лежит в пределах DH - ΔD ≤ D ≤ DH + ΔD. Для контроля диаметра шарики последовательно один за другим помещают под платформу П толкателя Т. При этом информация о диаметре фиксируется в форме определенного перемещения толкателя. Именно в преобразовании измеряемой величины в новую состоит первичное измерение. Устройство для осуществления первичного измерения имеется практически у любого датчика и называется первичным измерителем ПИ. Однако первичным преобразованием измеряемой величины действие датчика не исчерпывается, обычно за этим преобразованием следует цепь других последовательных преобразований. В нашем случае перемещение толкателя преобразуется в определенный угол поворота рычага Р, а затем в перемещение подвижного контакта К, которое в свою очередь преобразуется в то или иное состояние сигнальных цепей. Отсутствие тока в обеих сигнальных цепях свидетельствует о том, что отличие диаметра шарика от номинального находится в пределах разрешенного допуска. Если загорается лампа Н1, то шарик выбраковывается как слишком большой; когда же загорается лампа Н2, шарик выбраковывается в категорию слишком малых. Такой датчик может быть включен не только в систему автоматизированного контроля, но и в систему автоматического управления. В этом случае сигналы о слишком больших или слишком малых размерах изделия поступают в исполнительный орган, который соответствующим образом перестраивается, и размер изделия становится ближе к номинальному. Итак, контактный датчик в рассмотренной ситуации служит измерителем отклонения размеров изделия от номинальных. Информацию о значительном отклонении этих размеров датчик выдает, включая одну из двух цепей. 2.2. Плавное изменение сопротивления цепи Другим видом внешнего механического воздействия на электрическую цепь является перемещение движка реостата, включенного в цепь. Перемещение движка вызывает изменение активного сопротивления Rp, вносимого в цепь реостатом, и, следовательно, изменение силы тока I в цепи в соответствии с законом Ома: I = U / (RH - RP), где U - напряжение на полюсах источника тока; RH - сопротивление нагрузки.

12

Изменение активного сопротивления происходит вследствие изменения длины l части обмотки реостата, включенной в цепь, в соответствии с формулой сопротивления проводника: RP = ρl / S, где ρ - удельное сопротивление материала проводника; S - площадь поперечного сечения. Реостат, включенный в электрическую цепь, может быть использован в качестве датчика перемещения. Например, в автоматических регуляторах уровня жидкости применяется поплавково-реостатный датчик. На рисунке 9 показан регулятор уровня жидкости в баке. По трубе 1 жидкость подается в бак с помощью насоса, приводимого в действие электродвигателем. Потребление жидкости из бака осуществляется через вентиль 2. Первичным измерителем уровня жидкости служит поплавок 3, изменение уровня жидкости преобразуется в перемещение поплавка. Далее последовательно меняются физические носители информации: с помощью рычага 4 перемещение поплавка пеРис. 9. Схема регулятора уровня жидкости редается движку реостата с поплавково-реостатным датчиком: 5, что приводит к измене1 - трубопровод от насоса; 2 - вентиль; нию сопротивления цепи 3 - поплавок; 4 - рычаг; 5 - реостат и, следовательно, силы тока. Изменение же силы тока и является сигналом на выходе данного реостатно-поплавкового датчика, несущего информацию об уровне жидкости в баке. Если двигатель насоса не включен, а вентиль 2 открыт, то в результате расхода жидкости поплавок опускается, движок реостата перемещается вверх (по рисунку), сопротивление реостата уменьшается, и сила тока в цепи увеличивается. При определенном снижении уровня жидкости сила тока в катушке реле К становится достаточной для его срабатывания, что 13

приводит к замыканию контактов реле; двигатель насоса включается. После этого уровень жидкости в баке начинает повышаться. Проследив за дальнейшими процессами самостоятельно, вы можете убедиться в том, что после повышения уровня жидкости до определенной отметки электродвигатель привода насоса выключится. Если первичный измеритель преобразует информацию о значении измеряемой величины в определенное поворотное перемещение, то в датчике применяется реостат, у которого катушка имеет дуговую форму (рис.10).

Рис. 10. Реостат дуговой: 1 - катушка; 2 - щетки; 3 - токопроводящая спиральная пружина; 4 - ось первичного измерителя углового перемещения

2.3. Потенциометрическая схема Чаще всего переменный резистор включается по схеме, которая изображена на рисунке 11, где движок делит обмотку резистора на две части длиной l1 и l2. Напряжение U источниРис. 11. Включение переменного резистора ка тока подается на всю по потенциометрической схеме катушку. Через зажим движка с одной из частей обмотки, например с части длиной l2, снимается напряжение U2. 14

Покажем, что при равномерной намотке напряжение U2 прямо пропорционально длине l2. По закону Ома для участка цепи имеем: U1 = IR1 и U2 = IR2, где I - сила тока в обмотке, U1, U2 - напряжение на частях обмотки, а R1, R2 - сопротивления этих частей. Очевидно, что U1 / U2 = R1 / R2. Таким образом, полное напряжение, подводимое к резистору, делится движком на две части, пропорциональные соответствующим длинам проводника. Такой делитель напряжения называют потенциометром. Но при равномерной намотке сопротивления R1 и R2 пропорциональны длинам соответствующих частей катушки: R1 = ρl2/S, R2 = ρl1/S, или R1 = Kl1, R2 = Kl2. Поэтому U1 / U2 = l1 / l2. По свойству пропорции можно записать: (U1 + U2) / U2 + (l1 + l2) / l2, или U / U2 = l / l2, где l = l1 + l2 - полная длина обмотки. Отсюда U2 = Ul2 / l. Это значит, что с потенциометра через движок в зависимости от положения последнего снимается определенная часть напряжения, поданного на всю обмотку. В датчиках, например, механическое перемещение, получаемое на выходе первичных измерителей, преобразуется с помощью потенциометра в соответствующее изменение электрического напряжения. Потенциометрическая схема широко используется в электротехнике и в электроавтоматике. 2.4. Измерение давления

Рис. 12. Угольный датчик давления: 1 - корпус; 2 - угольный порошок; 3 - мембрана; 4 - электрод

Сопротивление некоторых элементов электрической цепи может зависеть и от давления, которое производится на них извне. Примером такого элемента может служить сосуд, заполненный угольным порошком и закрытый упругой мембраной (рис.12). Чем больше давление извне на мембрану, тем сильнее сжимается угольный порошок и его электрическое сопротивление становится меньше. Причина уменьшения электрического сопротивления 15

угольного порошка поясняется на рисунке 13, где показаны два угольных зерна: а) при отсутствии внешнего давления; б) при наличии небольшого давления; в) при большом внешнем давлении. Из последнего рисунка видно, что чем больше давление, тем большей оказывается площадь соприкосновения соседних зерен угольного порошка, что и является причиной уменьшения электрического сопротивления. Угольные датчики давления как первичные Рис. 13. К объяснению принципа измерители преобразуют действия угольного датчика давления изменение давления в соответствующее изменение электрического сопротивления. Включенный в электрическую цепь датчик выдает информацию об изменение давления в окружающей среде в форме определенного изменения силы тока. Контрольные вопросы 1. Что собой представляет устройство контактного датчика? Приведите примеры его возможного использования. 2. Начертите схему включения реостата в электрическую цепь. Какое преобразование физических величин осуществляет реостат непосредственно? 3. Как работает регулятор уровня жидкости, действие которого основано на использовании поплавково-реостатного датчика? Какие последовательные преобразования величин происходят в процессе регулирования? 4. Какое регулирование (статическое или астатическое) осуществляет регулятор уровня жидкости с реостатно-поплавковым датчиком? Ответ обоснуйте. 5. Начертите схему включения потенциометра для регулирования яркости горения электрической лампы. 16

3. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТЕЛ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ДАТЧИКАХ ТЕМПЕРАТУРЫ Длину твердого тела lt или объем жидкости Vt при температуре t можно определить, если известны длина l0 или объем V0 при температуре, равной 0°С: lt = l0(1 + βt), Vt = V0(1 + αt), где β - температурный коэффициент линейного расширения;, а α - температурный коэффициент объемного расширения данного вещества. Значения этих коэффициентов для разных веществ можно найти в справочных таблицах. Тепловое расширение тел лежит в основе действия первичных измерителей температуры. Простейший из них - металлический струнный измеритель - изображен на рисунке 14. Это отрезок металлической проволоки, натягиваемый пружиной и помещаемый в контролируемую среду. При изменении температуры среды конец датчика, прикрепленный к пружине, совершает перемещение, равное удлинению отрезка проволоки. В этом и состоит в данном случае первичное измерение темпераРис.14. Струнный первичный туры. измеритель температуры: Другим видом первичного 1 - струна; 2 - пружина измерителя температуры, действие которого основано на явлении теплового расширения металлов, является уже знакомая биметаллическая пластина. Если такую пластину поместить в контролируемую среду, то при изменении температуры пластина изгибается и ее свободный конец совершает некоторое перемещение. Первичное измерение температуры может быть основано и на объемном тепловом расширение газов или жидкостей. На рисунке 15 показан первичный измеритель, в котором увеличение давления газа в баллоне при повышении температуры контролируемой среды вызывает прогиб упругой мембраны и соответствующее перемещение прикрепленного к мембране толкателя. 17

Тепловое расширение жидкости в резервуаре приводит к ее подъему по трубке. Если жидкость представляет собой раствор электролита, т.е. является проводником, то в результате подъема ее уровня она приходит в соприкосновение с верхним электродом (рис. 16) и замыкает электрическую цепь исполнительного органа. Первичный измеритель в этом случае действует по принципу контактного термометра. Контрольные вопросы 1. Как действует струнный первичный измеритель температуры? 2. Как действует первичный измеритель температуры, основанный на использование биметаллической пластины? 3. Как устроен первичный измеритель температуры, основанный на зависимости давления газа от температуры? 4. Начертите схему использования жидкостного датчика температуры, работающего по принципу контактного термометра. Какие жидкости можно применять в таком датчике?

Рис. 15. Первичный измеритель температуры, основанный на объемном тепловом расширение газов: 1 - баллон с газом; 2 - мембрана; 3 - толкатель

Рис. 16. Первичный измеритель температуры, основанный на объемном тепловом расширение жидкостей и работающий по принципу контактного термометра: 1 - электроды; 2 - контакты разъемного В электроавтоматике сласоединения с сигнальным устройством; бые сигналы, исходящие от 3 - раствор электролита

4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЛЕ И ИХ НАЗНАЧЕНИИ

18

датчиков, должны управлять работой достаточно мощных исполнительных органов: включать их или выключать. Это очень часто осуществляется при помощи особых устройств - реле. Реле одновременно входит в две электрические цепи (рис.17): в слаботочную электрическую цепь управления и исполнительную цепь, в которую включен потребитель большой мощности, - исполнительный орган. Реле позволяет с помощью слабого тока замкнуть или разомкнуть цепь, где протекает ток большой мощности.

Рис. 17. Электромагнитное реле

Применение реле имеет большое значение также при управлении мощным исполнительным органом, находящимся на большом расстоянии от датчика или от коммутационного устройства (рис. 18). В этом случае протяженной является управляющая слаботочная цепь. Потери энергии в этой цепи из-за малого значения силы тока будут незначительными. Небольшими они будут и в исполнительной цепи, так как длина проводов небольшая и, следовательно, невелико их сопротивление.

Рис. 18. Дистанционное управление электродвигателем при помощи реле 19

Если бы дистанционное управление мощным потребителем осуществлялось без применения реле (рис. 19), то протяженность и сопротивление проводов исполнительной цепи были бы большими, что при значительной силе тока приводило бы к большой потере энергии. Важно и то, что при использоваРис. 19. Дистанционное управление нии реле в цепи управэлектродвигателем при помощи ления может быть припростого рубильника менено низкое напряжение. Это делает работу оператора безопасной. Особенностью реле является скачкообразный характер их действия. Как только сила тока в цепи управления достигает определенного значения, называемого током срабатывания, сразу происходит скачкообразное изменение силы тока в исполнительной цепи. В автоматических системах применяются различные типы реле. Наибольшее распространение получили электромеханические, электронные и ионные реле. Наиболее существенное различие между ними состоит в том, что электромеханические реле являются контактными, а электронные и ионные бесконтактными. Изменение состояния реле, происходящее в результате плавного увеличения входной величины (силы тока или напряжения в цепи управления) и приводящее к скачкообразному изменению (возрастанию или убыванию) выходной величины (силы тока в исполнительной цепи), называется срабатыванием реле. Изменение же состояния реле при плавном убывании входной величины, приводящее к скачкообразному изменению выходной величины обратного характера (убыванию или возрастанию соответственно), называется отпусканием реле. Отношение минимального значения Х2 выходной величины к ее максимальному значению Х1 - одна из характеристик реле. Наибольшее различие между значениями выходной физической величины в двух состояниях реле надежно обеспечивают электромеханические реле. При их использовании управление током в исполнительной цепи 20

происходит путем замыкания или размыкания контактов реле, включенных в эту цепь. Когда контакты замыкаются, сила тока в цепи быстро возрастает от нуля до значения, на которое рассчитан потребитель (исполнительный орган); при размыкании контактов сила тока быстро убывает до нуля. При использовании реле других типов различие между указанными значениями Х1 и Х2 выходной физической величины может быть не столь четким. В случае электромеханического контактного реле указанное отношение равно нулю. В менее совершенных по их коммутирующему действию бесконтактных электронных и ионных реле Х2 / Х1 >0. По этой причине во многих случаях отдают предпочтение контактным электромеханическим реле. Однако Х2 / Х1 не является единственным параметром, определяющим выбор типа реле для их использования в конкретной ситуации. В ряде случаев определяющими являются надежность и быстродействие. Коммутация с помощью контактных групп связана с искрообразованием и, следовательно, окислением контактов. Окислившиеся контакты не обеспечивают включения исполнительной цепи. В тех случаях, когда частота срабатывания и отпускания реле велика, преимущество - за электронными и ионными реле. Последние также выгодно отличаются от электромеханических малым временем срабатывания и высоким быстродействием. Контактные электромеханические реле, в свою очередь, также бывают различных систем. Мы рассмотрим три, наиболее используемые системы: электромагнитные, магнитоэлектрические и электродинамические. Контрольные вопросы 1. Каково назначение реле в автоматических устройствах? 2. Что называется срабатыванием и отпусканием реле? 3. В чем состоит особенность электромеханических реле (в сравнении с электронными или ионными)? 5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ Исполнительные органы в автоматических устройствах предназначаются обычно для управления носителями энергии (пневматическими, гидравлическими, механическими и электрическими), воздействующими на объект автоматического управления или регулирования. Они могут осуществлять сцепление или расцепление валов, закрывание или открывание вентилей и т. д. Широкое применение в автоматике получили электромеханические исполнительные органы. Для них характерно преобразование электрической 21

энергии в механическую. Одной из их разновидностей являются электромагнитные исполнительные органы, которые основаны на использовании электромагнитов. На рисунке 20 схематически представлено устройство электромагнитной муфты, которая должна осуществлять сцепление или расцепление вала, применяемого, например, для передачи энергии от двигателя к инструментам, осуществляющим обработку образца. В основе этого устройства лежит применение электромагнита с притяжным якорем.

Рис. 20. Электромагнитная муфта: 1 - ведущая сторона разъемного вала; 2 - магнитопровод электромагнита; 3 - катушка электромагнита; 4 - токопроводящие кольца; 5 - щетки; 6 - ведомая сторона вала; 7 - якорь; 8 - шпонка; 9 - пружина; 10 - фрикционная шайба

На ведущей стороне 1 разъемного вала имеется электромагнит, состоящий из магнитопровода 2 и катушки 3. Электрический ток подводится к вращающейся катушке через кольца 4 и щетки 5. На ведомой стороне 6 вала находится якорь 7, который может легко смещаться вдоль вала, но не может поворачиваться вокруг него из-за имеющейся шпонки 8. Пружина 9 смещает якорь вдоль вала на некоторое расстояние от электромагнита, поэтому ведущая часть вала свободно прокручивается относительно неподвижной ведомой части. Когда же по обмотке электромагнита пропускают ток, якорь притягивается и благодаря трению между ним и фрикционной шайбой 10 свободное прокручивание становится невозможным - происходит сцепление. 22

На рисунке 21 схематически показано устройство электромагнитного вентиля, предназначенного для открывания или перекрытия трубопровода, по которому течет жидкость или газ. Его действие основано на использование электромагнита с втяжным якорем. Такой вентиль состоит из катушки 1, втяжного якоря 2 с прикрепленным к нему запирающим клапаном 3, который при помощи пружины 4 прижимается к седловине жиклера 5. При включении тока в цепи катушки якорь втягивается в катушку и клапан, сжимая Рис. 21. Электромагнитный вентиль: пружину, открывает 1 - катушка электромагнита; 2 - втяжной якорь; жиклер для прохож3 - запирающий клапан; 4 - пружина; дения жидкости или 5 - седловина жиклера газа. В приведенных двух примерах якорь электромагнита совершает поступательное движение. Также находят применение электромагнитные исполнительные органы, в которых якорь совершает поворот вокруг своей оси. Схематично такое устройство изображено на рисунке 22, a. Оно состоит из катушки 1, магнитопровода 2 и якоря 3.

23

Рис. 22. Электромагнитный исполнительный орган с поворотным якорем: 1 - катушка электромагнита; 2 - магнитопровод; 3 - якорь; 4 - возвратная пружина

Известно, что перемещение якоря электромагнита всегда подчинено общему принципу, согласно которому в результате возможного движения якоря магнитный поток электромагнита должен стать максимальным. Это достигается при минимальной величине воздушного зазора магнитопровода. Если в исходном положении якоря воздушный зазор наибольший, то в соответствии с общим принципом якорь после включения тока - в цепи катушки электромагнита повернется, приближаясь к положению, показанному на рисунке 22, б. При этом действующая на якорь со стороны магнитного поля сила будет преодолевать силу упругости спиральной пружины 4. В связи с этим угол поворота якоря будет зависеть от силы тока в катушке электромагнита. Поэтому такое устройство отличается от ранее рассмотренных еще и тем, что в нем якорь совершает механическое перемещение не между двумя крайними положениями, а на больший или меньший угол в зависимости от силы тока в катушке. Такой характер действия исполнительного органа в регуляторе необходим в тех случаях, когда воздействие на объект регулирования должно быть сильным или слабым в зависимости от ошибки регулирования. Например, в термостате изменение силы тока в нагревательном элементе или степень открывания вентиля радиатора должны зависеть от того, насколько в данный момент температура в термостате отличается от заданной. Именно такое плавное управление притоком энергии может быть обеспечено с помощью электромагнита с поворотным якорем. 24

Все три рассмотренных вида электромагнитных исполнительных органов относятся к классу нейтральных. Это значит, что направление перемещения якоря в них не зависит от направления тока в катушке электромагнита. Между тем в автоматических устройствах бывают необходимы исполнительные органы, которые реагируют на направление тока. Такими являются поляризованные электромагниты. Устройство одного из типов поляризованного электромагнитного исполнительного органа приведено на рисунке 23. Он состоит из катушки 1, надетой на магнитопровод 2, и намагниченного цилиндрического якоря 3, который в отсутствие тока в катушке удерживается спиральной пружиной 4 в положении, при котором магнитная ось якоря (линия, проходящая через его полюсы) перпендикулярна оси полюсов 5 электромагнита. При прохождении тока по катушке якорь поворачивается от исРис. 23. Поляризованный ходного положения в ту или иную электромагнитный сторону в зависимости от направлеисполнительный орган: ния тока. 1 - катушка электромагнита; Направление поворота якоря 2 - магнитопровод; 3 - намагниченный легко определить, исходя из принякорь; 4 - пружина; 5 - полюсы ципа максимальности общего магэлектромагнита нитного потока; якорь должен поворачиваться в таком направлении, чтобы его собственный магнитный поток усиливал магнитный поток, созданный катушкой с током. Угол поворота якоря, как и в предыдущем случае (рис. 22), определяется силой тока в катушке. Это значит, что и здесь мы имеем дело с исполнительным органом плавного изменения перемещения. Контрольные вопросы 1. В чем состоит общее назначение исполнительных органов в автоматических устройствах? 2. В чем особенность электромагнитных исполнительных органов? 3. Как устроена и как действует электромагнитная муфта? 25

4. Как устроен и как действует электромагнитный вентиль? 6. ЗАДАЧИ 1. Торговые автоматы относятся к автоматическим устройствам рефлекторного типа. Когда на ждущее пусковое устройство воздействует опущенная монета, происходит запуск автомата и отрабатывание полного цикла действий, завершающегося выдачей оплаченного товара. Ждущее пусковое устройство должно контролировать достоинство опущенной монеты, что может осуществляться по ее весу и диаметру. Предложите возможную конструкцию ждущего пускового устройства такого автомата. 2. Как можно превратить обыкновенные часы-ходики с гирей в будильник, не производя каких-либо изменений и самих часах и их циферблате? Предложите конструкцию вспомогательного устройства. 3. В бытовых электропылесосах имеется сигнальная лампочка, которая подает сигнал о необходимости почистить пылесборник пылесоса. Принципиальная схема этого сигнального устройства представлена на рисунке 24 (1 - датчик давления, 2 сигнальная лампочка, 3 шланг, соединяющий датчик давления и камеру разрежения пылесоса, 4 мембрана датчика). На основе физических законов и явлений опишите работу такого устройства. 4. На рисунке 25 изображена схема водонасосРис. 24. ной станции с автоматическим ограничением максимально допустимого уровня воды в резервуаре. Объясните его действие. 5. Какие изменения необходимо произвести в схеме, приведенной на рисунке 25, чтобы автоматически осуществлялось ограничение нижнего уровни жидкости в резервуаре? 26

Рис. 25.

Рис. 26.

Рис. 27.

6. Автоматическое устройство, схема которого представлена на рисунке 26 осуществляет сигнализацию о заполнения бункера комбайна зерном. Опишите действие этого устройства. 7. При нагревании баллона А (рис. 27) в нем повышается давление воздуха. К баллону присоединено устройство для сигнализации о максимально допустимом повышении температуры. Объясните действие этого устройства. Изобразите его состояние в момент сигнализации. 8. Среди средств контроля за работой автомобиля имеется датчик давления, который с помощью контрольной лампы сигнализирует о недостаточном давлении масла в системе смазки. Если давление в системе смазки двигателя ниже 20...60 кПа, то подвижный контакт прижат пружиной к неподвижному, цепь питания контрольной дампы замкнута, и лампа горит. Как толь27

ко давление масла превысит указанное значение, диафрагма выгибается и, преодолевая сопротивление пружины, толкателем отжимает подвижный контакт от неподвижного - цепь размыкается, и лампа гаснет. Начертите электрическую схему такого автоматического сигнализатора. 9. В качестве первичного измерителя давления (см. задачу 8) может быть использован сильфон с толкателем (рис. 28). При понижении давления сильфон сжимается, контактная пара замыкается. Начертите схему действующей таким образом автоматической системы Рис. 28. Первичный измеритель давления: контроля. 1 - сильфон; 2 - толкатель 10. На рисунке 29 приведена принципиальная схема дистанционного измерения давления жидкости в системе смазки автомобиля. Первичным измерителем давления служит сильфон с толкателем. Поясните принцип действия этого устройства. 11. Для измерения Рис. 29. Схема дистанционного измерения тягового сопротивледавления жидкости с использованием ния сельскохозяйстсильфонно-реостатного датчика венных машин пользуются пружинными динамометрами, за показаниями которых при движении машины следить неудобно. Поэтому динамометры дополняют реостатным датчиком (рис. 30). Стрелка динамометра 1 соединена с движком реостата 2. Дорисуйте электрическую схему этого устройства таким образом, чтобы оно обеспечивало возможность отсчета значения тягового усилия непосредственно в кабине трактора. 28

Рис. 30.

Рис. 31.

Рис. 32.

12. На рисунке 31 показана электрическая цепь сигнализации о повышении температуры окружающей среды. Какой должна быть пластинка аб? Какие изменения нужно внести в эту схему, чтобы включение приборов происходило при минимально допустимой температуре в помещении? 13. Для автоматического регулирования температуры жидкости в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания служит терморегулятор, устройство которого схематически изображено на рисунке 32. Внутри сильфона 1 находится некоторое количество смеси этилового спирта с водой. Если температура жидкости в системе охлаждения ниже 70°С, то клапан 2 закрыт и жидкость не циркулирует через радиатор. При повышении температуры жидкости от 70 до 80°С клапан 2 открывается, и жидкость начинает циркулировать в радиаторе. На каком физическом явлении ос29

новано открывание и закрывание клапана сильфоном? 14. Для контроля температуры в системе охлаждения двигателя применяют дистанционный термометр (рис. 33). Термометр состоит из датчика 1, который с помощью капиллярной трубки 2 соединен с манометром 3, снабженным температурной шкалой. Вся система герметична и заполнена легкоиспаряющейся Рис. 33. жидкостью, например хлорметилом. Поясните принцип действия дистанционного термометра такого типа. 15. Предложите схему, где используется контактный термометр для включения исполнительной электрической цепи при понижении температуры контролируемой среды до заданного значения. 16. В системе гидротормозного устройства автомобиля недопустимо уменьшение тормозной жидкости ниже определенного уровня. Для контроля за уровнем тормозной жидкости применяется поплавковый датчик. Предложите схему автоматического устройства для контроля уровня жидкости в тормозной системе, использовав переменный резистор в качестве преобразователя перемещения поплавка в выходной электрический сигнал. 17. В автоматических регуляторах температуры часто в качестве датчика используется контактный термометр. Это очень хрупкий прибор. Предложите простейшую конструкцию жидкостного контактного термометра, изготовление которого возможно. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Стрыгин В.В. Основы автоматики и вычислительной техники. - М., 1981. 2. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. - М.: Высшая школа, 1998. 3. Общая электротехника /Под ред. А.Т. Блаткина. - Л., 1986. 4. Электроника: Энциклопедический словарь // Гл. ред. В.Г. Колесников. М., 1991. 5. Резников З.М. Прикладная физика. - М.: Просвещение, 1989. 30