Тема 3.1. Средства получения и преобразования первичной информации
Вопрос 4. Элементы автоматики
Задача цифровой обработки сигнала - как можно более раннее (в идеале сразу после предусилителя или ФЭУ) преобразование сигнала детектора в цифровой поток данных без потери содержащейся в нем информации. Цифровые данные далее могут запоминаться в кольцевом буфере и извлекаться оттуда для обработки в программируемой логической матрице. В принципе многие параметры, которые традиционно извлекаются с помощью аналоговой электроники, могут быть получены при использовании различных алгоритмов цифровой обработки. В частности могут быть получены энергия, время, координаты, параметры идентификации частиц. Цифровая обработка сигналов позволяет использовать оптимальные фильтры и сложные алгоритмы, учитывающие специфические свойства детекторных систем, извлекать информацию, которую сложно или вообще невозможно получить с помощью аналоговых систем. Так как данные оцифровываются на раннем этапе, информация меньше искажается за счет шумов и наводок. Кроме того, цифровая обработка допускает работу при более высоких загрузках и позволяет уменьшить или совсем устранить мертвое время. Наконец, использование цифровой обработки делает аппаратуру гораздо более компактной, что немаловажно в установках для физики высоких энергий, где задействованы тысячи различных детекторов.
1). Электромагнитное реле
Рис.1. Электромагнитное реле
Электромагнитное реле с поворотным (а) и втяжным якорем (б) . В обмотку 2 катушки реле поступает ток небольшой силы от датчика, при этом сердечник 3 намагничивается и притягивает якорь 4. Соединённый с якорем 4 контакт 1 замыкается и на исполнительное звено будет подаваться ток большой силы. Для работы реле необходимо, чтобы сила притяжения к сердечнику была больше силы противодействия пружины 5. Реле, применяющиеся для переключения мощных цепей тока, называют контакторами.
2) Усилители
ПАРАМАГНИ́ТНЫЙ УСИЛИ́ТЕЛЬ, квантовый усилитель, в котором активной средой служат кристаллы, активированные примесью парамагнитных ионов, напр. Al2O3 с примесью Cr (рубин).
Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры — радиоприёмника, магнитофона,измерительного прибора и т. д
Кристаллические усилители. Кристаллический усилитель или по-другому кристаллический триод имеет вид миниатюрного цилиндрика высотой всего в несколько миллиметров. Основным преимуществом является отсутствие вакуума и источников питания для подогрева катода. Вес кристаллического триода вместе с защитным корпусом – около 1,3 грамма. В технике широко применяют полупроводниковые кристаллические усилители, изготовляемые из кремния, германия, селена и др.
Рис
Две тонкие вольфрамовые проволочки с острозаточенными
концами соприкасаются с германиевой пластинкой (6). Расстояния между концами
проволочек в месте соприкосновения с германиевой пластинкой около 0,1 мм. Нижняя поверхность пластинки
металлизируется (обычно покрывается слоем родия). Таким образом, с этой стороны
контакт имеет большую площадь и соответственно малое сопротивление .На эмиттер
(1), выполняющий роль катода в электронной лампе, подаётся напряжение порядка 1
В, а на коллектор (5), выполняющий роль анода в электронной лампе,- напряжения
порядка 50 В. Нижняя поверхность германиевой пластинки (6) покрыта тонким слоем
металла и покоится на металлическом основании (7), выполняющем роль сетки.
Проволочки эмиттера и коллектора соединены с выводами (2), проходящими через
изолятор (3), установленный в корпусе (4).
Рис. Применение кристаллического усилителя в электроэрозионном вырезном станке с ЧПУ
Кристаллический усилитель используется в электроэрозионном вырезном станке мод. 4732Ф3
с ЧПУ для усиления напряжения и тока. Станок предназначен для обработки
заготовок сложного контура с прямолинейной образующей, например рабочих
элементов вырубных штампов, фасонных фильер в матрицах, фасонных резцов,
шаблонов и подобных заготовок из любых токопроводящих материалов: легированных закалённых
сталей, металлокерамических твёрдых сплавов, цветных сплавов и т.д.
Электродом-инструментом является непрерывно наматывающаяся латунная,
вольфрамовая или молибденовая проволока диаметром 0,05-0,3 мм. Обработку ведут
в среде рабочей жидкости, в качестве которой используют воду с
антикоррозионными присадками или керосин. Импульсный технологический ток вырабатывается
тиристорным генератором типа ГКИ-250. Станок может комплектоваться копировальной
системой управления, работающей по фотошаблону. Это позволяет обрабатывать
заготовки со сложным контуром, программирование которого затруднено. Заготовки
с наклонной образующей обрабатывают при применении специальных приспособлений.
Магнитные усилители в металлорежущих станках. Магнитный усилитель коммутирует электрическую цепь тока изменением в широких пределах своего индуктивного электрического сопротивления, величина которого зависит от степени насыщения магнитопровода.
Они нашли широкое применение в электроприводах металлорежущих станков из-за их:
- надежности;
- большого срока службы (считаются одним из надежных элементов систем автоматики),
- отсутствия подвижных частей,
- возможности исполнения магнитных усилителей мощностью от долей ватта до сотен киловатт,
- большой прочности и стойкости по отношению к вибрациям и ударной нагрузке.
Рис. Магнитные усилители в конструкции металлорежущего станка
Принцип действия магнитного усилителя основан на использовании нелинейности кривой намагничивания ферромагнитного материала, при намагничивании постоянным током сердечник усилителя насыщается и индуктивность рабочих обмоток переменного тока уменьшается, рабочие обмотки обычно включаются последовательно с нагрузкой. поэтому напряжение, которое до насыщения сердечника было приложено к рабочим обмоткам усилителя в момент насыщения, прикладывается к нагрузке (Рис. ).
Рис. Схема магнитного усилителя
Ток нагрузки регулируют изменением тока в обмотке подмагничивания магнитного усилителя. Обмотка смещения служит для создания начального подмагничивания, необходимого для того чтобы ток в нагрузке изменялся различным образом в зависимости от знака полярности сигнала управления, а также для выбора точности на прямолинейном участке характеристики. Обмотка обратной связи предназначена для получения требуемой формы выходных характеристик.
Конструктивно магнитный усилитель представляет собой сердечник из листового ферромагнитного материала, на который намотаны обмотки переменного и постоянного тока. Для устранения наводок ЭДС переменного тока цепи обмоток постоянного тока намотаны отдельно на сердечник, а обмотки постоянного тока охватывают оба сердечника. Усилитель может иметь несколько обмоток управления. В этом случае в рабочем режиме ток в нагрузке будет определяться суммарным током управления, т.е. он может быть использован как сумматор электрических сигналов не связанных между собой.
Магнитные усилители могут быть как нереверсивные, так и реверсивные. В нереверсивных магнитных усилителях изменение полярности сигнала управления не вызывает изменения фазы и знака тока нагрузки. Сердечники магнитных усилителей изготавливают как из трансформаторной стали, так и из пермаллоя, причем трансформаторную сталь применяют при мощности магнитного усилителя, большей 1 Вт. Сердечники магнитного усилителя шихтуют из отдельных пластин, как сердечники дросселей или трансформаторов.
Широко распространены однотактные и двухтактные, реверсивные и нереверсивные, однофазные и многофазные магнитные усилители.
Гидроусилители крутящих моментов предназначены для перемещения рабочих органов металлорежущих станков или других машин с числовым программным управлением в соответствии с электрическими импульсами, подаваемыми на вход усилителя. Гидравлические усилители крутящих моментов типа Э32Г18-2 предназначены для перемещения рабочих органов металлорежущих станков или других машин с числовым программным управлением в соответствии с электрическими импульсами, подаваемыми на вход усилителя, причем перемещение определяется числом поданных импульсов, а скорость перемещения - частотой следования импульсов. Гидроусилители работают на минеральных маслах с кинематической вязкостью от 20 до 200 мм 2 и с температурой от плюс 10 до плюс 60 0 С при температуре окружающей среды от 0 до плюс 40 0 С.
Гидроусилитель следящего типа представляет собой силовой гидропривод, в котором исполнительный механизм (выход) воспроизводит (отслеживает) закон движения управляющего органа (входа), для чего в системе предусмотрена непрерывная связь между выходным и входным элементами, которая называется обратной связью.
Гидравлические приводы нашли широкое применение в различных отраслях техники и в особенности в системах управл6ения современными транспортными машинами, включая автомашины, морские суда, самолеты и прочие летательные аппараты.
Принцип работы следящего привода заключается в следующем. Изменение условий работы машины или параметров технологического процесса вызывает перемещение задающего устройства, которое создает рассогласование в системе. Сигнал рассогласования воздействует на усилитель, а через него и на исполнительный механизм. Вызванное этим сигналом перемещение исполнительного механизма через обратную связь устраняет рассогласование и приводит всю систему в исходное положение. 
Принципиальная схема следящего рулевого привода автомобиля:
1 - насос (внешний источник энергии);
2 - втулка усилителя;
3 - обратная связь;
4 - исполнительный механизм;
5 - золотник усилителя;
6 - винт;
7 - рулевое колесо (задающее устройство)
Гидравлические усилители. На рисунке (а) показана схема гидравлического усилителя со струйной трубкой и положения трубки для обеспечения работы суппорта. В корпусе 4 помещена струйная трубка 3 с конической насадкой. Она шарнирно закреплена на оси О и может поворачиваться. Сигнал от датчика посредством толкателя 8 поворачивает трубку 3, преодолевая усилие пружины 1, жесткость которой регулируется винтом 2. При этом положение трубки относительно каналов 5 изменится. Каналы и трубка расположены в колпачке 7. Масло под давлением подается в струйную трубку 3. В конической насадке трубки повышается скорость потока, что приводит к увеличению запаса кинетической энергии. При среднем положении трубку струя масла подается равномерно в оба канала 5, создавая одинаковое давление в полостях исполнительного поршневого привода 6. При повороте струйной трубки поток масла в одном из каналов 5 возрастает и, следовательно, давление в одной из полостей исполнительного привода 6 увеличится, а в другой уменьшится. Исполнительный механизм приходит в движение.
Усилители со струной трубкой вследствие простоты конструкции и надежности в работе широко используются в гидрокопировальных суппортах (б). Масло от насоса под давлением поступает в струйную трубку 3, закрепленную шарнирно. Каналы разделены острой кромкой К. При среднем положении трубки давления в полостях А и Б гидроцилиндра исполнительного механизма обратно пропорциональны полезным площадям поршня. При перемещении щупа 2 по копиру 1 трубка 3 отклоняется в сторону одного из каналов и в полостях цилиндра возникает перепад давления, вследствие чего цилиндр и связанный с ним суппорт 4 перемещается относительно неподвижного поршня 5, воспроизводя профиль копира.
3). Электромагнитные муфты
Муфты служат для соединения валов или валов с деталями, свободно вращающимися на них (зубчатыми колесами, шкивами и т.п.), с целью передачи вращения без изменения скорости. Известно, что большинство устройств, систем компонуют из отдельных узлов с входными и выходными валами. Такими узлами являются, например, привод в виде двигателя, передаточный и исполнительный механизмы. Кинематическая и силовая связь между этими узлами устройства осуществляется с помощью муфт
Соединение валов является основным, но не единственным назначением муфт. Муфты применяют для включения и выключения исполнительного органа при непрерывно работающем двигателе, для предохранения рабочих органов от перегрузок и чрезмерно больших скоростей, для передачи движения между валами только в одном направлении, для остановки в качестве тормоза и других функций.
