12. Радиотехнические и ультразвуковые датчики

В системах сельскохозяйственной автоматики находят применение бесконтактные радиотехнические и ультразвуковые устройства. Они используются там, где нельзя осуществить непосредственное измерение или контроль измеряемой величины.

На рис. 1.51, а показано бесконтактное радиотехническое устройство для обнаружения растений в начальной стадии их развития.

Рис. 1.51. Радиотехнические и ультразвуковые датчики

Воспринимающая часть 1 представляет собой транзисторный автогенератор метровых волн с колебательной системой, помещенный в экран с вырезом в стенке, обращенным в сторону набегающего рядка растений, и располагается вблизи поверхности почвы под углом к оси рядка. При наличии растений вблизи колебательной системы автогенератора изменяется его комплексное сопротивление, что вызывает дополнительные потери высокочастотной энергии, восполняемые источником питания. Вследствие этих изменений внутреннее сопротивление автогенератора увеличивается, напряжение в точках 4 и 5 повышается, что приводит к возрастанию величины тока через измерительный стабилитрон 6. Ток, протекающий через стабилитрон и вход усилителя 2, открывает его и вызывает срабатывание исполнительного реле 3.

В качестве чувствительного элемента к высокочастотному генератору может быть использован емкостный или антенный чувствительный элемент.

Другой тип высокочастотного устройства для обнаружения растений (рис. 1.51, б) содержит ультравысокочастотный генератор 1 с резонансной линией L₁ в качестве колебательного контура. К петле связи L₂ подключен чувствительный элемент 2. Подбором резистора R и величины анодного напряжения U_a автогенератор настраивается в недонапряженный режим, при котором значение сеточного тока лампы VL близко к нулю. Прикосновение электрода 2 к растению 3 приводит к резкому изменению сопротивления нагрузки генератора. Режим работы переходит в перенапряженный, что сопровождается скачкообразным увеличением тока лампы, который через резистор R поступает в блок обработки сигналов 4 и на вход исполнительного устройства. Подбором резистора R генератор настраивается таким образом, чтобы устройство реагировало на среду с определенной проводимостью.

Наиболее простые акустические датчики показаны на рис. 1.51, в, г у которых косвенным показателем потерь зерна служит проход зерна через конечный участок соломотряса. У датчиков (рис. 1.51, г) применен дополнительный чувствительный элемент, расположенный за станом очистки. Зерно, падая на чувствительный элемент – мембрану, возбуждает электрические импульсы, которые затем поступают в электронную часть прибора. Общим недостатком этих устройств является влияние на них показания не только зерна, но и примесей, находящихся в сходах соломотряса.

13. Датчики температуры

Датчики температуры, применяемые в системах сельскохозяйственной автоматики, подразделяются на тепломеханические (с механическими выходными сигналами) и теплоэлектрические (с электрическими выходными сигналами).

Тепломеханические датчики (термобиметаллические, дилатометрические) используются в качестве воспринимающих элементов, преобразующих изменение фактического значения регулируемой температуры в перемещение (рис. 1.52, а).

Термобиметаллический датчик представляет собой узкую пластинку из биметалла, один конец которой закреплен неподвижно. При длине плоской пластинки l, значительно превышающей ее толщину , перемещение свободного конца х_вых при нагревании будет линейно зависеть от температуры Т_вх окружающей среды:

,

где k₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материалов и толщины биметаллической пластинки.

Рис. 1.52. Датчики температуры

Величину называют чувствительностью термобиметаллического датчика. При толщине пластинки в 1 мм и длине 100 мм свободный конец перемещается на 0,1–0,15 мм на 1 ºС изменения температуры.

Термобиметаллические и дилатометрические датчики применяются для измерения температур в диапазоне от –60 до +450 ºС. Погрешность преобразования составляет 1–5 %.

На рис. 1.52, б показан тепломеханический преобразователь с расширяющейся жидкостью или газом. Изменение температуры T_вх металлического баллона 1 связано с изменением давления находящихся в нем жидкости или газа, так как коэффициенты объемного расширения жидкостей и газов гораздо выше, чем металлов. При изменении давления перемещается свободный конец мембраны 2, связанный с баллоном через капилляр 3. В качестве термометрических жидкостей применяются амиловый спирт, ацетон, ртуть. Погрешности жидкостных преобразователей составляют 1–3 %.

В качестве газовых наполнителей применяют азот, гелий и др. Для азота нижний предел измерения составляет –195 ºС, для гелия –269 ºС, а верхний предел ограничивается теплостойкостью баллона.

Теплоэлектрические датчики – металлические и полупроводниковые терморезисторы (рис. 1.52, г, д, е), термопары (рис. 1.52, в), полупроводниковые диоды и триоды преобразуют изменение фактического значения регулируемой температуры и изменение электрического сопротивления, напряжения или тока.

Металлические терморезисторы изготавливают из чистых металлов (платины, меди, никеля, вольфрама) зависимость сопротивления которых от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнениями третьей степени. Однако при обычных требованиях к точности ограничиваются квадратной или линейной зависимостью:

R_t = R₀(1 + _мT),

где R₀ – величина сопротивления проводника при 0 С;

 – температурный коэффициент электрического сопротивления.

Чувствительный элемент металлического терморезистора помещается в стальной или латунный корпус с клеммной головкой и представляет собой обмотку из проволоки диаметром 0,04–0,08 мм, размещенную на изолированном корпусе, к концам которой припаиваются выводы из серебряной, а при температуре до 100 ºС – из медной проволоки.

Чувствительность проволочных терморезисторов характеризуется температурным коэффициентом сопротивления:

.

Из металлических терморезисторов наибольшее распространение получили термометры сопротивления типа ТСП (платиновые) и ТСМ (медные).

К числу достоинств следует отнести: высокую степень точности измерения (они позволяют измерять температуру с точностью до 0,001 ºС), возможность выпуска измерительных приборов к ним со стандартной градуировкой шкалы, возможность использования их с информационно-вычислительными машинами.

Основными недостатками являются: большие размеры, не позволяющие использовать их для измерения температуры в малых объемах, значительная инерционность (постоянная времени до нескольких минут), необходимость в постороннем источнике питания и учете сопротивления подводящих проводов.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы, позисторы) конструктивно оформляются шариковой (рис. 1.52, г), трубчатой (рис.1.52, д), дисковой (рис. 1.52, е) и другими формами. Характеристика управления термистора подчиняется убывающему экспоненциальному закону (рис. 1.52, ж), а вольт-амперная U = f (I) имеет при определенном токе максимум.

Нелинейность характеристик ограничивает применение термисторов при измерениях температуры в узких пределах. Большой разброс по номинальному сопротивлению затрудняет их взаимозаменяемость.

Отечественной промышленностью выпускаются медно-марганцевые (ММТ), кобальто-марганцевые (КМТ), косвенного подогрева (ТКП) и другие термисторы для температур от –100 ºС до +300 ºС. Чувствительность термисторов в 5–30 раз выше чувствительности металлических терморезисторов. Для позисторов в области плюсовых температур сопротивление резко возрастает с увеличением температуры до предельного ее значения, а затем резко падает. В области отрицательных температур сопротивление позистора с увеличением температуры уменьшается.

Терморезисторы могут включаться в простейшие нереверсивные (рис. 1.52, з), дифференциальные (рис. 1.52, и) и мостовые (рис. 1.52, м) схемы.

Для измерения температуры могут использоваться также диоды и триоды (силовые диоды Д7А-Д7Ж). Полупроводниковые триоды обеспечивают чувствительность до 0,4 мВ/град, диоды до 2,2 мВ/град.

Термопары (рис. 1.52, в, в’, в”) представляют собой спай из двух разнородных металлических проводников А и Б или полупроводников. Если спаи 1 и 2 поместить в среды с разными температурами Т₁ и Т₀ (горячий и холодный спай), то в контуре этих проводников возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС).

Термопары применяются в системах автоматического регулирования и контроля в диапазоне температур от –200 до +2500 ºС.

При температуре холодного спая Т₀, равной нулю, величина термо-ЭДС:

E  aT₁ + bT₁² + cT₁³,

где а, b, с – постоянные коэффициенты материалов термопары.

Чувствительность термопары обычно невелика и составляет для разных термопар 0,01–0,07 мВ/1 ºС. Поэтому для увеличения выходного сигнала применяют последовательное соединение нескольких термопар (рис. 1.52, в”). Погрешности от нелинейности характеристик термопар достигают 5 %.