В последнее время в схемах автоматики широко применяют бесконтактную аппаратуру, не имеющую подвижных контактов и частей. К ним относятся термопары, термосопротивления (терморезисторы), индуктивные и емкостные датчики, индукционные расходомеры, фотореле, радиоактивные преобразователи, полупроводниковые приборы, логические элементы и т. д.
Рис. 29. Принципиальная схема термопары
Бесконтактные устройства обладают значительными преимуществами по сравнению с контактными устройствами: они более надежны, имеют значительно больший (а иногда практически неограниченный) срок службы, меньше нуждаются в обслуживании, обладают более быстрым действием.
Термопары являются основными чувствительными элементами датчиков температуры. Их действие основано на возникновении в разнородных проводниках А и В (рис. 29), концы которых спаяны между собой, термоэлектродвижущей силы Е при наличии разности температур t1 и t2 между точками соединения проводников 1 и 2.
В термосопротивлениях используется свойство металлов и полупроводников изменять
свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры.
Рис. 30. Принципиальная схема индуктивного датчика
Индуктивные датчики применяют в качестве конечных выключателей в схемах автоматического управления и регулирования. Принципиальная схема индуктивного датчика приведена на рис. 30.
Под воздействием силы Р якорь датчика перемещается и соответственно меняется воздушный зазор, а следовательно, сопротивление магнитной цепи и индуктивное сопротивление катушки, надетой на сердечник. Если последовательно с катушкой включить реле, то оно будет срабатывать. На этом принципе устроены датчики типов ИКВ-10, ИКВ-22, ИКВ-30.
Индукционные расходомеры предназначены для непрерывного автоматического измерения расхода электропроводных жидкостей в заполненных трубопроводах. Принцип действия их основан на изменении э. д. с., возникающей при движении потока электропроводной жидкости в магнитном поле.
На рис. 31 приведена принципиальная схема индукционного расходомера типа ИР-1. Отрезок трубы, покрытый внутри изоляционным материалом, помещен в постоянное магнитное поле электромагнита. В контролируемой жидкости при протекании ее через этот отрезок трубы индуктируется э. д. с., как в проводнике, движущемся в магнитном поле. Величина э. д. с. пропорциональна средней скорости потока.
Рис. 31. Принципиальная схема датчика индукционного расходомера ИР-1
Емкостный датчик представляет собой обычный конденсатор, но с переменной емкостью, величина которой зависит от расстояния между пластинами, от размера пластин и от материала диэлектрика, находящегося между пластинами.
Емкостные датчики применяют в электронных сигнализаторах уровня типа ЭСУ-1 и ЭСУ-2 для сигнализации уровня жидких и сыпучих сред, используют как датчики положения для контроля наличия в заданной зоне поступательно перемещающихся изделий или механизмов.
Фотореле применяют для автоматического включения и отключения наружного электроосвещения, в схемах автоматического управления и контроля в качестве индикатора наличия, положения или величины обрабатываемых металлических заготовок и изделий, для автоматического управления и контроля работы различных прокатных станов и т. д.
Рис. 32. Принципиальная схема фотоэлектронного реле
Основным элементом фотореле является фотоэлемент. В фотоэлементах энергия света преобразуется в электрическую, которая, пройдя каскад усиления, подается на катушку электромагнитного реле.
На рис. 32 показана принципиальная схема фотоэлектронного реле.
Рис. 33. Принципиальная схема фотореле с полупроводниковым фотосопротивлением
Световой поток от источника света ИС, падая на фотокатод фотоэлемента ФЭ, выбивает с поверхности фотокатода электроны. Эти свободные электроны под действием внешнего источника электрического поля перемещаются ко второму электроду фотоэлемента, создавая фототок. Ток этот усиливается при помощи электронного или ионного усилителя У и подается на катушку реле Р.
При достаточно большой интенсивности светового потока ток возрастает настолько, что реле срабатывает.
На рис. 33 показана принципиальная схема фотореле с полупроводниковым фотосопротивлением ФС. При освещении поверхности элемента ФС его сопротивление уменьшается и соответственно увеличивается ток, проходящий через этот элемент, если к нему приложено какое-либо напряжение.
Рис. 34. Схема использования радиоактивного преобразователя для контроля толщины (наличия) изделия
В схемах автоматического управления и контроля прокатных станов применяют металлургические фотореле типа ФРС-8, ФРС-12, ФРС-58, ФРС-60. В общепромышленных установках для пыльных помещений применяют фотореле типа ФРС-11.
Фотореле типа ФРВЗ используют в качестве путевых бесконтактных выключателей во взрывоопасных помещениях. Для автоматического включения и отключения наружного освещения применяют фотореле типа ФР-1.
Радиоактивные преобразователи используют в гамма-реле для контроля за наличием материала в пространстве, в радиоактивных счетчиках для бесконтактного счета предметов, перемещающихся на конвейерах, в автоматических дымоизвещателях для сигнализации о начале пожара в производственных помещениях, кабельных туннелях, хранилищах и т. п.
На рис. 34 показана структурная схема использования радиоактивного преобразователя для контроля толщины или наличия изделия. Поток радиоактивного излучения от излучателя 1, проходя сквозь толщу контролируемого изделия 5, улавливается приемником излучений 2.
Приемник измеряет интенсивность излучения и преобразует его в электрический ток, который усиливается в усилителе 3 и подается на измерительный прибор или реле 4. По изменению интенсивности потока излучения можно судить о толщине и однородности изделия, наличии или отсутствии материала и т. п.
В качестве источника излучения используют искусственные радиоактивные изотопы различных элементов (кобальта, талия, цезия и др.) с большим периодом полураспада. Источники радиоактивных излучений помещают в специальные свинцовые контейнеры для обеспечения безопасности обслуживающего персонала.
Полупроводниковые приборы — это диоды, триоды (транзисторы) и управляемые кремниевые вентили (тиристоры).
Диоды или вентили представляют собой полупроводниковые двухэлектродные приборы. Принцип действия их основан на явлении односторонней проводимости специально обработанных кристаллов из селена, германия, кремния или других полупроводниковых элементов.
Промышленность выпускает диоды универсального назначения, силовые выпрямительные диоды, стабилизаторы напряжения («опорные» диоды) и другие разновидности диодов специализированного назначения. Выпускаются также высоковольтные выпрямительные столбы из нескольких однотипных диодов, включенных последовательно.
Транзисторы — это трехэлектродные полупроводниковые приборы. Их используют в качестве усилителей напряжения и мощности.
На рис. 35 показан разрез кремниевого диода, применяемого в качестве стабилизатора напряжения.
Рис. 35. Разрез кремниевого диода
1 — основание (анод); 2 — крышка; 3 — полупроводящий кремниевый слой; 4 — стекло; 5 — трубка; 6 — гибкий вывод; 7 — вывод (катод)
Логические элементы представляют собой простейшие элементарные ячейки из электромагнитных, электронных или полупроводниковых элементов.
При помощи таких ячеек можно осуществлять операции по автоматическому управлению исполнительными механизмами в зависимости от информации, поступающей от датчиков (размножение и суммирование сигналов, взаимные блокировки, выдержки времени и т. п.). В релейных схемах эти операции осуществляются при помощи электромеханических реле.
На рис. 36 показан общий вид магнитного логического элемента серии ЛТ.
Рис. 36. Общий вид магнитного логического элемента серии ЛТ
1 — катушка усилителя; 2 — сопротивления; 3 — диоды; 4 — сигнальная лампочка; 5 — крышка; 6 — линза