 |
1.6. Управление машинами. 1.7. Датчики. Таблица 1.2 – Классификация датчиков. Механические датчики. Акустические датчики
|
|
|
|
1. 6. Управление машинами
Устройства управления позволяют человеку направлять и регулировать работу машины.
Самодействующие устройства, работающие по заданной программе, называются автоматами. Если управление частично производится автоматами, а частично человеком, его называется автоматизированным. Если самодействующее устройство работает циклически, и для каждого нового цикла необходимо вмешательство человека – оно называется полуавтоматическим. Полуавтоматически обычно действуют различные контрольные и предохранительные устройства [4].
В строительных машинах управление подразделяется по нескольким назначениям:
- управление двигателем;
- управление установкой рабочего оборудования;
- управление сцепными муфтами и тормозами;
- управление движением всей машины.
Системы управления строительных машин по конструктивным признакам разделяются на механические, гидравлические, пневматические, электрические и смешанные (комбинированные).
С целью частичной или полной автоматизации управления машинами применяют комбинированные системы – гидропневматические, гидроэлектрические, гидропневмо-электрические и ряд других.
Системы автоматического контроля, управления и регулирования состоят из отдельных элементов, выполняющих определенные функции. По характеру выполняемых функций элементы подразделяются на датчики, усилители командных (управляющих) сигналов и исполнительные устройства [6].
1. 7. Датчики
Датчиком в системе автоматического контроля и регулирования называют специальное устройство, служащее для преобразования контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для измерения.
|
|
|
Контролируемым параметром может быть температура в пропарочной камере завода железобетонных конструкций; угол наклона отвала автогрейдера при нарезке сливной призмы земляного полотна; напряжения и деформации в конструкциях зданий, сооружений, элементах технологического оборудования и т. д.
Датчик состоит из одного или нескольких элементов (преобразователей). Главным элементом датчика является первичный преобразователь, воспринимающий контролируемую величину и называемый чувствительным элементом. Чувствительные элементы по физическому принципу могут быть электрические, механические, акустические, оптические, тепловые, гидравлические, радиоактивные, электромагнитные и других видов [6].
Классификация датчиков, применяемых в строительстве, приведена в таблице 1. 2.
Таблица 1. 2 – Классификация датчиков
| Наименование датчика | Вид преобразования | Примеры применения в строительстве | ||
|
Механические датчики | ||||
| 1. Датчики перемещения | ||||
| Потенциометрический (реостат) | Изменение активного сопротивления | Приборы для автоматического учета работы кранов, телемеханические устройства, уровнемеры, жидкостные моделирующие устройства, системы автоматизации дорожно-строительных и путевых машин | ||
| Проволочный тензометрический | То же | Измерение деформаций; механические испытания строительных сооружений, конструкций и машин; измерение веса в весовых конструкциях (дозаторах) | ||
| Индуктивный дифференциальный | Изменение индуктивного сопротивления | Измерение силы, давления, уровня жидкости; применяется в дозаторах бетонных заводов, работомерах, ограничителях грузоподъемности, задатчиках программ регулирования и т. п. | ||
| Емкостный | Изменение емкостного сопротивления | Уровнемеры, измерение малых перемещений, измерение прогиба ленты конвейера, контроль влажности строительных материалов | ||
| 2. Датчики скорости
| ||||
| Тахогенератор | Преобразование угловой скорости в ЭДС | Измерение и регулирование частоты вращения различных машин и механизмов, в том числе электропривода строительных машин | ||
| 3. Датчики ускорения | ||||
| Пьезоэлектрический | Преобразование ускорения в ЭДС | Транспортные и подъемные устройства, измерение вибраций | ||
| 4. Датчики силы | ||||
| Угольный | Преобразование силы в изменение активного сопротивления | Механические испытания строительных сооружений и конструкций | ||
| Магнитоупругий | Преобразование силы в изменение индуктивного сопротивления | То же, кроме того, применяется в дозаторах и системах автоматического контроля натяжения арматуры в предварительно напряженных железобетонных конструкциях | ||
| Пьезоэлектрический | Преобразование силы в разность потенциалов | Измерение усилий, вибраций | ||
|
Акустические датчики | ||||
| 1. Звуковые | ||||
| Электродинамический микрофон | Преобразование ультразвуковых колебаний в ЭДС | Звукометрический регулятор производительности шаровых мельниц | ||
| 2. Ультразвуковые (универсальные) | ||||
| Ультразвуковой | Преобразование ультразвуковых колебаний в разность потенциалов | Испытание строительных материалов и конструкций, определение расположения арматуры в железобетонных изделиях, дефектоскопы, толщиномеры, контроль тепловлажной обработки железобетонных изделий по набору прочности | ||
|
Тепловые датчики | ||||
| Термометры сопротивления, полупроводниковые термосопротивления | Преобразование температуры в изменение активного сопротивления | Измерение и регулирование температуры в пропарочных камерах заводов железобетонных изделий и при электропрогреве бетона, измерение температуры подшипников | ||
| Термопары металлические, термометры полупроводниковые | Преобразование температуры в ЭДС | Измерение высоких температур, регулирование температуры в асфальтосмесителе, регулирование температуры в отдельных частях машин, аппаратов | ||
|
Оптические датчики | ||||
| Фотоэлементы с внешним фотоэффектом | Преобразование светового потока в электрический ток | Автоматическое включение транспортных установок и освещения, сигнализация, блокировка, учет штучной продукции | ||
| Фотосопротивления | Преобразование светового потока в измерение активного сопротивления | Дозаторы бетонных заводов, учет штучной продукции, контроль размеров, регулирование процессов, взвешивание, автоматический контроль и управление рабочими органами путевых машин, шифраторы на заводах – автоматах | ||
| Вентильные фотоэлементы | Преобразование светового потока в ЭДС | Автоматическое управление транспортными установками | ||
|
Радиоактивные датчики
| ||||
| Радиоактивные элементы | Преобразование радиоактивных излучений в ионизационный ток | Измерение уровня жидких и сыпучих материалов, влажности песка, щебня и бетонной смеси, толщины и высоты слоя; контроль запыленности среды, газопроницаемости материала; расходомеры материалов | ||
Наибольшее распространение в системах автоматики, применяемых в транспортном строительстве, получили датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические, так как выходной сигнал (ток, напряжение) может записываться, передаваться на расстояние и, тем самым, дистанционно управлять производственным процессом.
Основными характеристиками датчика являются статическая характеристика и чувствительность. Статическая характеристика датчика отображает функциональную зависимость выходной величины у от входной величины х , т. е.
у = f(x), (1. 5)
где у – величина, полученная после преобразования (выходная);
х – контролируемая (входная) величина, действующая на датчик.
При плавном изменении выходной величины статическая характеристика датчика представляет собой плавную кривую. При скачкообразном изменении выходной величины статическая характеристика имеет разрывной характер. Такие датчики называют датчиками с релейной характеристикой. По статической характеристике датчика определяют его чувствительность.
|
|
|
Чувствительность датчика показывает степень изменения выходной величины в зависимости от изменения входной
. (1. 6)
Так, например, чувствительность термопары показывает степень изменения развиваемой ею термоэлектродвижущей силы при изменении температуры. Наименьшее изменение входной величины, вызывающее заметное изменение выходного сигнала, называют порогом чувствительности датчика [5].
По выходной величине все электрические датчики разделяются на параметрические и генераторные. Параметрическим датчиком называют датчик, который для своей работы требует дополнительного источника питания. Примером такого датчика может служить термометр сопротивления, у которого контролируемая величина – температура – преобразуется в изменение электрического активного сопротивления, а значит и тока, за счет источника питания, включенного в диагональ моста, т. е. подключенного к зажимам термометра.
Генераторным датчиком называют датчик, который для своей работы не требует дополнительного источника питания. Примером генераторных датчиков являются: термопара, в которой за счет энергии входной величины (температуры) возникает электродвижущая сила (выходная величина); тахогенератор; пьезодатчики и ряд других.
Датчики выполняют контактными и бесконтактными. Чувствительный элемент в контактных датчиках непосредственно соприкасается с контролируемым объектом, а в бесконтактных не соприкасается. К бесконтактным относятся радиоактивные, ультразвуковые, фотоэлектрические и электромагнитные датчики.
При автоматизации существующих и разрабатываемых вновь производственных и строительных процессов в транспортном строительстве, а также при автоматизации строительных и дорожных машин приходится измерять, контролировать и регулировать разнообразные параметры технологических операций, как, например, скорости, углы наклона, перемещения, крутящие моменты, уровни, механические напряжения, температуры и т. д., для чего применяют различные датчики [6].
Рис. 1. 16. Проволочный тензодатчик: а – вид датчика при снятом покрытии; б – поперечное сечение;
в – конструкция; 1 – выводные провода; 2 – проволока; 3 – подкладка из бумаги или лаковой пленки; 4 – покрытие из бумаги, фетра или лака; 5 – бумажный каркас
Основными достоинствами проволочных тензодатчиков (рис. 1. 16) являются почти полное отсутствие их влияния на деформацию детали и низкая стоимость.
Индуктивные датчики (рис. 1. 17) применяются для преобразования в электрический сигнал небольших линейных и угловых перемещений. Принцип действия их основан на изменении индуктивности катушки с магнитопроводом при перемещении якоря. Индуктивные датчики имеют различную конструкцию.
|
|
|
Преимуществом индуктивных датчиков являются простота и надежность устройства, отсутствие подвижных контактов, возможность использования переменного тока промышленной частоты и возможность непосредственного включения измерительного прибора. Данные обстоятельства способствуют широкому их распространению в промышленности.
Рис. 1. 17. Схемы индуктивных датчиков:
а – с воздушным зазором δ; б – дифференциального типа; в – плунжерного типа; г – поворотный трансформаторный; Р – сила, воздействующая на якорь; d, d1, d2 – воздушные зазоры; L1, L2, W1, W2 – обмотки; a – угол поворота вторичной обмотки; U, Uвых – входное и выходное напряжения
Емкостные датчики преобразуют механические перемещения в изменения электрической емкости, т. е. изменяют емкостное сопротивление
, (1. 7)
где f – частота источника питания, Гц; С – емкостъ, Ф.
. (1. 8)
Емкостные датчики, как и индуктивные, работают на переменном токе, только в отличие от индуктивных в большинстве случаев они работают на частоте выше 1 кГц.
Значение емкости С можно регулировать изменением зазора δ, площади S и выбором материала диэлектрика (диэлектрической постоянной ε ). Емкостные датчики могут иметь различную конструкцию. В одних датчиках пластины конденсатора сдвигаются и раздвигаются (рис. 1. 18, а), в других они выполнены в виде пластин и взаимно поворачиваются (рис. 1. 18, б); у других цилиндры смещаются один параллельно другому (рис. 1. 18, в) или между двумя неподвижными пластинами конденсатора перемещается третья (рис. 1. 18, г).
Рис. 1. 18. Схемы емкостных датчиков
Последняя конструкция представляет собой дифференциальный емкостный датчик. При перемещении средней пластины емкость конденсатора изменяется. Емкостные датчики обладают высокой чувствительностью, а отсутствие электрических контактов обеспечивает их надежную работу. Однако эти датчики в автоматике получили небольшое распространение, так как имеют серьезные недостатки. В частности, они непригодны для работы на низких частотах и требуют специального высокочастотного генератора. Схемы с емкостными датчиками сложны в регулировке и неудобны в эксплуатации, так как они чувствительны к посторонним электрическим полям и паразитным емкостям [6].
Электроконтактные (электромеханические) датчики предназначены для управления электроприводами механизмов и машин, а также для ограничения перемещения (в частности, аварийного) различных частей механизмов. К датчикам такого рода относятся путевые (конечные) выключатели, которые приводятся в действие движущимися элементами машин и механизмов.
Бесконтактные датчики и концевые выключатели получили большое распространение в системах автоматизации строительных машин и механизмов. Эти приборы состоят из следующих функциональных элементов: металлической пластины (или детали механизма) воздействующего (контролирующего) элемента, преобразователя (генератора) перемещений контролируемого элемента в электрический сигнал и электрической схемы релейного действия для получения выходного сигнала дискретной формы.
Датчики скорости. Одним из наиболее распространенных датчиков скорости является тахогенератор, который представляет собой электромеханическое устройство, преобразующее механическое вращение в электрический сигнал. Тахогенераторы используются как электрические датчики угловой скорости и работают как обычные маломощные электрические машины в режиме генератора для выработки напряжения, пропорционального частоте вращения. В зависимости от конструкции и соответственно выходного напряжения тахогенераторы подразделяются на тахогенераторы постоянного (рис. 1. 19) и переменного тока с независимым возбуждением. Вал тахогенератора соединяется с валом, частоту вращения которого необходимо замерить или контролировать. Выходное напряжение, снимаемое с его щеток, пропорционально частоте вращения вала. При изменении направления вращения меняется полярность напряжения [6].
Рис. 1. 19. Схема тахогенератора постоянного тока с обмоткой возбуждения
Тахогенераторы широко применяют в схемах автоматического управления электроприводами конвейеров, дозаторов непрерывного действия и при выполнении различных измерений.
Датчики усилий. Преобразование измеряемых усилий в электрическое напряжение производится датчиками усилий, которые подразделяются на магнитоупругие, пьезоэлектрические, емкостные, индуктивные, тензометрические и др.
В магнитоупругом (магнитострикционном) датчике использовано явление изменения магнитной проницаемости μ ферромагнитных материалов при создании в них упругих деформаций. В магнитоупругом датчике (рис. 1. 20) пропорционально силе F изменяется индуктивное сопротивление катушки, которая включена в мостовую измерительную схему.
Рис. 1. 20. Схема магнитного датчика
Температурные датчики. Способность тел изменять физические свойства при воздействии на них температуры положена в основу конструкции температурных преобразователей.
В строительной технике используются такие физические явления, как тепловое расширение тел (биметаллы), появление термоэлектродвижущей силы (термопары), изменение электропроводности проводников и давления газов при нагреве.
Рис. 1. 21. Схема включения термопары
Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на свойстве некоторых металлов и сплавов создавать ЭДС при нагревании места их соединения (спая); по величине ЭДС (рис. 1. 21) можно судить о температуре нагрева спая. Наиболее широкое применение имеют термопары, проводники которых изготовлены из следующих специальных сплавов: хромель-копель (термопара типа ТХК для измерения температур до 700 °С) и хромель-алюмель (термопары типа ТХА для измерения температур до 1200 °С), платина-радий (термопара для измерения температур до 1600 °С). Термопары работают в комплекте с вторичными приборами – милливольтметрами и потенциометрами. Так, например, термопары типа ТХК применяют в системах автоматики регулирования температуры минеральных составляющих асфальтобетона.
Радиоактивные датчики используют для автоматического контроля и регулирования степени заполнения бункера, приготовления и уплотнения бетонной смеси, контроля влажности материалов.
Ультразвуковые датчики применяют при контроле качества изделий из металлов, железобетона и т. п. К акустическим датчикам относится микрофон.
|
|
|
