Вы здесь

Элементы автоматики

Любая автоматическая система состоит из отдельных связанных между собой элементов. Элементом автоматики называется: часть системы, в которой происходят качественные или количественные преобразования физических величин, а также передача преобразованного воздействия от предыдущего элемента к последующему. В сельскохозяйственных системах автоматики применяют различные элементы, но в качестве основных и наиболее типичных можно назвать датчики, усилители, исполнительные механизмы,, элементы настройки, командоаппараты, аппараты защиты и измерительные приборы.

Автоматизация различных технологических процессов и операций возможна только при наличии необходимой информации о значениях величин, характеризующих протекание этих процессов и операций. Для этого используют разнообразные электрические и неэлектрические датчики, которые измеряют заданные параметры технологических режимов и операций и передают информацию к следующим элементам системы.

Физическая природа регулируемых величин очень разнообразна, вследствие этого различны и датчики. Однако в большинстве случаев на выходе датчика получается либо механическая величина (сила, перемещение), либо электрическая величина (напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктивность, сдвиг фаз и др.).



Наиболее легко поддаются измерению и преобразованию электрические величины, в связи с этим во многих случаях при измерении неэлектрических величин совместно с измерительным органом предусматривается специальное устройство — преобразователь, в котором неэлектрическая величина на его входе преобразуется в электрическую величину на его выходе.

В настоящее время практически любая величина независимо от ее физической природы может быть преобразована в электрический сигнал, поэтому при автоматизации производственных процессов наиболее распространены электрические датчики — измерительные устройства с преобразованием неэлектрической величины в электрическую. Электрические датчики — наиболее просты, дешевы.

В современных инкубаторах в качестве датчиков температуры применяют контактные ртутные термометры. Устройство контактного ртутного термометра показано на рис. 88.

рис.88. Контактный ртутный термометр.

Этот термометр имеет два электрода, один из которых впаян в капилляр со ртутью, а другой, выполненный из тонкой вольфрамовой проволоки, можно устанавливать на заданную температуру с помощью магнитно-поворотного устройства. Подвижный электрод прикреплен внутри термометра к гайке, способной перемещаться по винту. Головку винта, расположенную внутри термометра, при настройке термометра вращают магнитом. Для присоединения внешних проводов служат специальные зажимы, расположенные в верхней части термометра под пластмассовым колпачком.

При достижении заданной температуры ртутный столбик замыкает промежуток между электродами, создается электрическая цепь и в схему автоматики поступает электрический сигнал, вызывающий выполнение нужной операции.

Биметаллический датчик температуры состоит из двух прочно сваренных между собой металлических пластинок с различными коэффициентами теплового линейного расширения (рис.89).

рис.89. Биметаллический датчик температуры.

При нагревании пластины удлиняются неодинаково и происходит их изгиб в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом. При этом замыкаются или размыкаются управляющие контакты, связанные с датчиком. Чтобы увеличить чувствительность биметаллического датчика, увеличивают его длину. Для уменьшения габаритов биметаллическую пластинку выполняют в виде спирали.

Дилатометрический датчик (ри.90)

рис.90.Дилатометрический датчик температуры.

имеет стержень из металла с малым коэффициентом температурного расширения и трубку, изготовленную из металла с большим температурным коэффициентом.

Стержень расположен внутри трубки и одним концом жестко к ней прикреплен. При изменении температуры трубка изменяет свою длину и ее конец перемещается относительно конца стержня, что вызывает перемещение указательной стрелки и замыкание или размыкание управляющих контактов.

Манометрические датчики (рис.91)

рис.91. Манометрические датчики температуры.

представляют собой герметичную систему, заполненную жидкостью или газом и состоящую из теплоприемника, соединительной капиллярной трубки и измерительного элемента, изготовленного в виде мембраны, сильфона или пружинной трубки. В качестве наполнителей манометрических датчиков используют ртуть, эфир, азот и другие газы. Указательная стрелка, связанная с измерительным элементом, при изменениях температуры воздействует на электрические контакты.

Термоэлектрический термометр — термопара состоит из двух специально подобранных проволок, одни концы которых спаяны или сварены, а другие подключены к измерительному прибору или устройству. При нагревании спая на свободных концах термопары появляется э.д.с., величина которой пропорциональна разности температур спая и свободных концов термопары. Материалами для изготовления термопар служат сплавные пары хромель-копель, хромель-алюмель, нихром-константан и др.

Термисторы — полупроводниковые термометры сопротивления изготовляются из смеси окислов металлов (марганца, меди, никеля, кобальта, титана и др.). С увеличением температуры сопротивление полупроводника уменьшается приблизительно по показательному закону, поэтому они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который у известных типов термисторов в 6—10 раз больше, чем у металлов. Наиболее сильно сопротивление термистора изменяется от —100 до +120° С. Чаще всего применяют медномарганцевые ММТ и кобальто-марганцевые КМТ термисторы.

Термисторы выполняют с защитным кожухом в виде цилиндров, шайб, а также открытыми, изготовляемыми в виде запаянной с двух сторон трубки с полупроводниковым материалом внутри, от которого сделаны наружные выводы (рис.92).

рис.92. Термистор.

Выпускают и полупроводниковые термометры сопротивления с положительным температурным коэффициентом, называемые позисторами.

Высокое удельное сопротивление полупроводника позволяет открытый термистор изготовить небольших размеров (диаметром 0,3—0,5 мм), благодаря чему уменьшается инерционность. Термисторы обладают большей чувствительностью по сравнению с проволочными терморезисторами, высокое внутреннее сопротивление их позволяет не учитывать сопротивление соединительных проводов.

Недостатками термисторов являются недостаточно широкий диапазон температур, сильная нелинейность характеристики и значительный (до 20%) разброс по величине сопротивления между отдельными однотипными экземплярами, что затрудняет их взаимозаменяемость.

Гигрометрические датчики влажности газов в качестве воспринимающего элемента имеют обезжиренный человеческий волос или пленку 5—30 мкм, изготовленную из оболочки кишок крупного рогатого скота. При изменении относительной влажности воздуха происходит удлинение волоса на 2—2,5%, а животной пленки — на 4—5%. Это удлинение передается указательной стрелке и контактам. В современных инкубаторах, например «Универсал-50», в датчиках влажности используют вискозную ленту, работающую так же, как и животная пленка.

Полупроводниковые датчики влажности — гигристоры-—изготовляют в виде тонких пленок из полупроводниковых материалов, сопротивление которых значительно уменьшается при увеличении влажности.

Кондуктометрические и высокочастотные датчики влажности изготовляют в виде цилиндрического или плоского конденсатора. В зависимости от влажности материала, помещенного между обкладками этого конденсатора, изменяется емкостной или активный ток его, что учитывается измерительным стрелочным прибором.

Датчики уровня применяют для контроля за уровнем жидкостей и сыпучих материалов, например зерна, песка и т. п.

Поплавковые датчики (рис.93) состоят из поплавка 1 и элемента, преобразующего значение уровня в электрическую величину: сопротивление (рис.93,а) и ток (рис.93,б).

рис.93.Датчики уровня.

Электродные датчики уровня воды состоят из двух электродов, выполненных в виде цилиндрического или плоского конденсатора. Когда уровень воды достигает датчика, между электродами начинает проходить электрический ток, который используется для управления водоподъемником.

Оптические датчики применяют в качестве элемента автоматики, реагирующего на изменение освещенности.



Фоторезистор (рис.94)

рис.94. Устройство фоторезистора.

представляет собой стеклянную пластинку с нанесенным на нее тонким слоем полупроводникового вещества — сернистых соединений свинца, висмута, кадмия. К противоположным концам полупроводникового слоя прикрепляются металлические электроды. Фоторезистор имеет пластмассовую оправу с отверстием (рабочим окном) для прохода лучей света, которое покрывается светопроницаемым лаком. Под действием света в полупроводнике увеличиваются количество свободных электронов и электропроводность.

В системах автоматического управления для усиления сигналов, поступающих от датчиков, служат различного типа усилители.

Наиболее простым по конструкции и принципу действия является электромеханический усилитель — реле (рис.95),

рис.95. Устройство электромагнитного реле.

которое состоит из сердечника, катушки, подвижного якоря, контактов и противодействующей пружины. Когда по катушке протекает электрический ток, сердечник намагничивается и притягивает к себе якорь. Происходит соединение замыкающих контактов и разъединение размыкающих. При прекращении прохождения тока через катушку реле якорь под действием пружины отпускается — замыкающие контакты разъединяются, а размыкающие — соединяются. Усилительное действие реле состоит в том, что сила тока на выходе его (на контактах) в десятки и сотни раз больше тока на входе (в катушке). Электромагнитные реле также используются для разделения электрических цепей и одновременного управления несколькими электрическими цепями.

Герметизированные контакты — герконы (рис.96)

рис.96. Герметизированный контакт.

  представляют собой устройство, выполненное в виде стеклянной трубочки 2 диаметром в несколько миллиметров, внутри которой расположены две или три контактные пластины. Внутри запаянной стеклянной трубки находятся инертный газ или создан вакуум. Контакты геркона покрывают платиной, золотом, серебром или их сплавами.

Герметизация контактов геркона значительно повышает их надежность, износоустойчивость и срок службы. Управление контактами (их замыкание и размыкание) осуществляется с помощью магнитного поля, поэтому герконы называют еще и магнитоуправляемыми контактами. Управляющее магнитное поле создается постоянным магнитом или электромагнитом, расположенными снаружи геркона.

По сравнению с обычными электромагнитными реле герконы более быстродействующие устройства, их время срабатывания составляет 0,5—2 мс. Сила тока геркона допустима до 5 А.

В полупроводниковых усилителях используются полупроводниковые триоды — транзисторы, которые представляют собой трехслойную структуру, состоящую из пластины монокристаллического полупроводника (база) и вплавленных в нее с обеих сторон металлических электродов (коллектор и эмиттер).

Полупроводниковые усилители по способу включения полупроводниковых триодов делятся на три основных типа: с общим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором.

Усилители, собранные по схеме с общим эмиттером  (рис.97,а), позволяют получить высокий коэффициент усиления по мощности и току (порядка 104) и обладают сравнительно большим входным сопротивлением. Напряжение на выходе такого усилителя находится в противофазе относительно напряжения на входе.

рис.97. Схемы транзисторных усилителей.

Усилители, собранные по схеме с общей базой (рис.97,б), имеют малое входное сопротивление и большое выходное. Усиление по току такого усилителя меньше единицы, а по напряжению достигает несколько сотен. Выходное напряжение находится в фазе с входным.

Схема с общим коллектором (рис.97,в) имеет большое входное сопротивление и малое выходное. Коэффициент усиления по току этой схемы равен 19—50, а по напряжению меньше единицы. Выходное напряжение по фазе совпадает с входным.

Обычно полупроводниковые усилители собирают из нескольких каскадов, имеющих между собой емкостную, индуктивную (трансформаторную) или непосредственную связь.

В цепях управления и в силовых цепях систем автоматизации широко применяют бесконтактные элементы, обеспечивающие повышенную надежность. Обычно для бесконтактной коммутации применяют тиристоры.

Тиристором называют управляемый полупроводниковый вентиль, представляющий собой четырехслойный полупроводниковый прибор. Тиристор имеет анод, катод и управляющий электрод. Структурная схема тиристора приведена на рис. 98.

рис.98. Тиристор.

Когда на анод А подан положительный потенциал относительно катода К и на управляющем электроде УЭ отсутствует ток управления, то сила тока, протекающего через тиристор, мала. Это соответствует запертому состоянию тиристора. Тиристор открывается при подаче на управляющий электрод положительного потенциала по отношению к катоду (4—8 В). Сила тока управления составляет несколько десятков миллиампер, а сила тока, протекающего через тиристор, достигает несколько сотен ампер. Коэффициент усиления по току достигает тысячи, а коэффициент усиления по мощности еще больше.

Тиристоры применяют в инкубаторах «Универсал-55» для управления работой нагревательных элементов.

Тиристоры — быстродействующие приборы, продолжительность их переключения составляет десятки микросекунд. Тиристоры симметричные, выполненные в виде пятислойной структуры, называются симисторами. При подаче управляющего напряжения на управляющий электрод симистор пропускает ток в обоих направлениях.

В сельскохозяйственных автоматических устройствах широко применяют электромагнитные, электродвигательные, электротепловые и другие исполнительные механизмы.

Электромагнитный исполнительный механизм — соленоидный клапан (рис.99)



рис.99. Схема устройства соленоидного клапана.  

имеет катушку  электромагнита, стальной сердечник, которого связан с клапаном вентиля, расположенного на трубопроводе. При подаче тока в катушку сердечник втягивается и открывает вентиль. Отключение тока вызывает закрывание вентиля.

Электродвигательные исполнительные механизмы используют для перемещения рабочих органов из одного крайнего положения в другое. Они состоят из электродвигателя, редуктора и конечных выключателей.

Командные приборы предназначены для регулирования во времени, последовательности и продолжительности различных операций по заданному графику. Основные части широко распространенного в сельском хозяйстве командного прибора КЭП-12У (рис.100)

рис.100. Схема устройства командного прибора КЭП-12У.

следующие: синхронный электрический двигатель М, редуктор РД, распределительный вал РВ с установленными на нем сбрасывающими и возводящими кулачками, а также контакты К1—К12. На один контакт приходится два кулачка: длинный — замыкающий, короткий — размыкающий. Электрический двигатель осуществляет привод распределительного вала через редуктор и храповой расцепляющий механизм. Кулачки, расположенные на распределительном валу, замыкают и размыкают контакты, связанные с управляемыми цепями.

Установка времени, за которое распределительный вал прибора совершает один оборот, осуществляется регулированием храпового механизма и перемещением скользящей шестерни редуктора РД.