ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

"Органы чувств" автоматов

Датчики

Вам, вероятно, не раз приходилось слышать о "глазах", "ушах", "чутких пальцах" машины. Разумеется, это только образные сравнения, но они позволяют лучше понять принцип действия того или иного автомата. Когда говорят об "органах чувств" автоматических устройств, то имеют в виду чувствительные элементы, или датчики, реагирующие на изменения значений каких-либо физических величин.

Приведем несколько примеров. В цехе работает полуавтомат. Заканчивается обработка детали, и резец оказывается в крайнем положении. Вместе с резцом передвинулся и специальный упор, который нажимает на рукоятку станка, и станок останавливается. Конечный выключатель - так называется это устройство,- работая как бы "на ощупь", выполнил операцию выключения не хуже человека. В таком выключателе еще нет датчика в полном смысле этого слова, но приведенный пример показывает, что в некоторых случаях автоматические устройства удается наделить "осязанием", возложив на это устройство функцию, которую прежде выполняла рука человека.

По глади водохранилища мчится теплоход на подводных крыльях. Наступили сумерки, но рулевой уверенно ведет корабль: впереди зажглись красные и белые огни бакенов. Кто их включил? Автомат, питаемый аккумуляторами. А "глазами" этого автомата служит датчик - фотоэлемент. Круглые сутки смотрит он в небо. Днем, когда светло, в фотоэлемент попадает много света, и он хорошо пропускает ток. Электромагнит под действием этого тока размыкает цепь питания фонаря. С наступлением вечера свет, воздействующий на фотоэлемент-датчик, ослабевает, и ток в его цепи прерывается. Одновременно пружина, которая днем удерживалась электромагнитом, замыкает цепь питания фонаря, и он загорается. А утром этот же элемент его погасит.

Есть у некоторых автоматов и электрические "уши". Это знакомый каждому микрофон, который в ряде случаев может выполнять роль акустического датчика. Предположим, его установили перед входом в гараж. Стоит автомобилю дать сигнал, как под действием звуковых волн угольный порошок микрофона изменит свое сопротивление и соединенный с микрофоном автомат включит электродвигатель. Створки ворот раздвинутся - машина может въезжать в гараж. Чтобы автомат, связанный с датчиком-микрофоном, узнавал "свою" машину, его немного усложняют, заставляют срабатывать, например, только на четыре коротких сигнала.

Существуют автоматы, наделенные "обонянием". Их устанавливают, например, в шахте. Под землей большую опасность представляют горючие газы. Если их концентрация велика, то от случайной искры может произойти взрыв. Чтобы этого не случилось, в разных местах шахты устанавливают специальные датчики - небольшие коробки с мембранами. Внутри каждой коробки помещена спираль, по которой пропускают электрический ток, отчего она раскаляется докрасна.

Горючие газы через пористые стенки попадают в коробку, воспламеняются от спирали и сгорают. Давление в коробке падает, и мембрана втягивается в нее, замыкая при этом контакты электропитания сирены или электрического звонка, подающих сигналы предупреждения об опасности.

В текстильном, химическом и ряде других производств очень важно иметь растворы кислот строго определенной концентрации. Есть датчики, которые чутко отзываются на "вкус" раствора. В бак, где смешивается, например, серная кислота с водой, опущены два электрода. Если концентрация раствора нормальна, то процесс смешивания идет своим чередом. Но вот концентрация по каким-то причинам недопустимо увеличилась. Электрическая проводимость раствора резко возросла. Возросла и сила тока, протекающего через раствор, и во всей цепи, к которой подключены электроды. В какой-то момент времени сила тока увеличилась настолько, что сработал электромагнит и прекратил подачу кислоты.

Кроме пяти органов чувств - осязания, зрения, слуха, обоняния и вкуса - человек имеет еще орган равновесия - вестибулярный аппарат (см. т. 7 ДЭ, ст. "Органы чувств"). Стоит человеку наклонить голову или изменить положение тела, вестибулярный аппарат подает в головной мозг соответствующий сигнал. Вестибулярный аппарат реагирует также на вращение тела и поступательное движение. Он играет огромную роль в обеспечении равновесия.

В автоматике создано немало специальных датчиков, обязанности которых подобны обязанностям вестибулярного аппарата, например автопилот в самолете. Этот прибор не только реагирует на малейшие отклонения от курса, но и очень чутко воспринимает малейшие крены гигантской машины.

Главная деталь автопилота - гироскоп. Это вращающийся волчок, который всегда стремится сохранить положение оси вращения. И если самолет накренился, волчок останется на месте, а ползунок, укрепленный на нем, начнет перемещаться по контактам. Сигналы такого датчика тотчас приведут в действие соответствующие сервомоторы, и самолет выровняется.

Датчики - "органы чувств" автоматов: микрофон - электрические "уши" автоматов;

индикатор газа - очень чуткий "орган обоняния";

датчик, наделенный "вкусом", определяет концентрацию кислоты в растворе;

"вестибулярный аппарат" автоматов: при наклоне датчика электролит замыкает электрическую цепь и включаются выравнивающие устройства машины.

Эти датчики реагируют на изменения температуры и давления.

Итак, датчики современных автоматических устройств вполне способны заменить многие органы чувств, которыми наделен человек. Причем подчас они "видят" и "слышат" то, что органам чувств человека недоступно. Люди не слышат ультразвук, их зрение не реагирует на инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи. А датчики, если нужно, чутко отзываются на эти "раздражения". Не можем мы заметить и ничтожные колебания атмосферного давления или почувствовать влияние электрического или магнитного поля. А специальные датчики наделены такой способностью. Они безошибочно отмечают малейшие изменения силы тока, электрического напряжения, магнитных и других свойств вещества. Подаваемые датчиками сигналы - это точная и потому очень ценная информация о том, как работает та или иная машина, как протекает технологический процесс.

Усилители

И не беда, если сигналы датчика слабы, незначительны по размеру. Их силу можно многократно увеличить. Это сделают усилители. В устройствах автоматики получили распространение усилители разных типов.

Наиболее чувствительны электронные усилители, их главные элементы - радиолампы и транзисторы - полупроводниковые триоды (см. ст. "Радиотехника и электроника").

Широко применяются и так называемые магнитные усилители. Постоянный ток, возникающий в цепи датчика, протекает по одной обмотке магнитного усилителя. Вторая обмотка его включена в сеть переменного тока. Небольшие изменения силы тока в первой обмотке вызывают значительные изменения силы тока во второй. А это и нужно для усилителя сигналов. Магнитные усилители могут иметь мощность от долей ватта до сотен Киловатт. Они исключительно надежны, так как не имеют хрупких деталей или движущихся узлов.

Используются в автомагических устройствах и электромашинные усилители. Уже по названию видно, что это своеобразная электрическая машина. Ее генератор постоянного "тока вращается посторонним двигателем. Сила тока, отдаваемого этим генератором, зависит, как известно, от силы тока возбуждения, протекающего в обмотках магнитных полюсов. Если в цепь возбуждения включен датчик, то сила тока возбуждения будет изменяться соответственно изменениям контролируемой величины. Значит, и сила тока, отдаваемого генератором, будет изменяться по тому же закону - слабый сигнал датчика, включенного в цепь возбуждения машины, оказывается усиленным, так как сила тока, вырабатываемого генератором, во много раз больше силы тока возбуждения в обмотках его полюсов.

Применяется немало и других усилителей: гидравлических, пневматических, пневмоэлектрических - всех не перечислишь. Причем часто усилители разных типов работают сообща, например ламповый совместно с электромашинным. Первый из этих усилителей предварительно усиливает сигналы датчика, а уж выход лампового усилителя подключается к входу электромашинного. Сигнал-карлик становится настолько мощным, что может заставить действовать любой исполнительный механизм.

Однако очень часто от датчика или усилителя сигналов требуется только включить или выключить то или иное реле.

В усилителе входной сигнал U_вх подается на сетку лампы, усиливается на нагрузке R_H и на выходе U_вых возникает больший по напряжению сигнал.

Магнитный усилитель усиливает сигнал датчика в десятки и сотни раз.

Электромагнитные реле переключают электрические цепи, пускают в ход машины. Когда якорь замыкает контакты, лампочка горит. Если пропустить ток через катушку, то якорь под действием магнитного поля притянется к сердечнику, и контакты разомкнутся - лампочка погаснет.

Реле

В середине XIX в. во многих странах стали пользоваться электрическим телеграфом. И тут обнаружилось, что электрический сигнал с передающей станции приходил настолько ослабевшим, что приемный телеграфный аппарат на него не реагировал. Это объяснялось тем, что с увеличением расстояния из-за сопротивления проводов и утечки на линии сила электрического тока-сигнала падала. И выход из положения был найден.

Телеграфную линию разделили на несколько участков. В конце каждого из них поместили электромагнит с подвижным якорем, при перемещении которого замыкались и размыкались контакты. Приходящий издалека слабый ток пропускался по обмотке электромагнита. Якорь притягивался к сердечнику и замыкал с помощью контактов электрическую цепь, питаемую от местной батареи. И уже этот ток, гораздо более сильный, чем пришедший, направлялся в следующий участок линии.

Новый электротехнический прибор назвали французским словом реле. Чтобы понять, как возникло это название, вернемся мысленно назад, в XIX столетие.

...Покрытые хлопьями пены, изнуренные кони подтащили к почтовой станции дилижанс. Здесь ловкие кучера быстро сменили лошадей, и дилижанс со свежей упряжкой покатил к следующей станции. Так, "на перекладных", еще не очень давно путешествовали во многих странах Европы.

Во Франции замена уставших лошадей свежими называлась "реле". Это слово и "использовали строители телеграфных линий.

Электромагнитное реле - это электромагнит, якорь которого механически соединен с одной или несколькими парами (группами) контактов и замыкает их или размыкает. Многие автоматические системы, например автоматические телефонные станции (АТС), содержат тысячи электромагнитных реле.

Чтобы чувствительные электромагнитные реле срабатывали, т. е. контакты переключались из одного положения в другое, требуется мощность не более тысячной доли ватта. Самое короткое время срабатывания электромагнитного реле - тысячные доли секунды. При необходимости время срабатывания можно удлинить (например, в электромагнитных реле времени) до нескольких десятых долей секунды.

Электрическая цепь, по которой проходит сигнал от датчика или усилителя, называется управляющей. Она управляет, командует другой цепью - управляемой, по которой протекает ток большей силы. С помощью реле можно заставить работать электродвигатели, нагревательные печи и другие механизмы, включенные в управляемую цепь.

В автоматике кроме магнитных применяется много других типов реле - электронных, фотоэлектрических, электромеханических и т. д.

Таким образом, реле - это такое устройство, которое при изменении входного воздействия переходит скачком из одного положения равновесия в другое: при достижении известного значения входной (управляющей) величины резко, скачком изменяется выходная (управляемая) величина.

Между реле и усилителями есть много общего, поэтому сравнительно нетрудно заставить усилительную схему работать в релейном режиме, т. е. обеспечивать не плавное, а скачкообразное изменение выходной величины.