Любое автоматическое устройство состоит из связанных между собой элементов, задачей которых является качественное или количественное преобразование полученного ими сигнала.
Элемент автоматики — это часть устройства автоматической системы управления, в которой происходят качественные или количественные преобразования физических величин. Помимо преобразования физических величин элемент автоматики служит для передачи сигнала от предыдущего элемента к последующему.
Элементы, входящие в автоматические системы, выполняют различные функции и в зависимости от функционального назначения подразделяются на воспринимающие, преобразующие, исполнительные, задающие и корректирующие органы (элементы), а также на элементы сложения и вычитания сигналов.
Воспринимающие органы (чувствительные элементы) предназначаются для измерения и преобразования контролируемой или управляемой величины объекта управления в сигнал, удобный для передачи и дальнейшей обработки.
Примеры: датчики для измерения температуры (термопары, терморезисторы), влажности, частоты вращения, силы и т. д.
Усилительные органы (элементы), усилители — устройства, которые, не изменяя физической природы сигнала, производят лишь усиление, т.е. увеличение его до требуемого значения. В автоматических системах применяются механические, гидравлические, электронные, магнитные, электромеханические (электромагнитные реле, магнитные пускатели), электромашинные усилители и т. и.
Преобразующие органы (элементы) преобразуют сигналы одной физической природы в сигналы другой физической природы для удобства дальнейшей передачи и обработки.
Примеры: преобразователи неэлектрических величин в электрические.
Исполнительные органы (элементы) предназначаются для изменения значения управляющего воздействия на объекте управления, если объект представляет собой единое целое с управляющим органом, либо для изменения входных величин (координаты) регулирующего органа, который также следует рассматривать как элемент автоматичсеких систем. По принципу работы и конструкции исполнительные и регулирующие элементы многообразны.
Примеры: нагревательные элементы в системах управления температурой, вентили и клапаны с электрическим приводом в системах регулирования расхода жидкости и газа и т. д.
Задающие органы (элементы) предназначены для задания требуемого значения управляемой величины.
Корректирующие органы (элементы) служат для коррекции автоматических систем с целью улучшения их работы.
В зависимости от функций, выполняемых элементами автоматики, их можно разделить на датчики, усилители, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели и др.
Датчик (измерительный орган, чувствительный элемент) — элемент, преобразующий одну физическую величину в другую, более удобную для использования в автоматическом устройстве.
Наиболее распространены датчики, преобразующие неэлектрические величины (температуру, давление, расход жидкости и т. д.) в электрические. Среди них различают датчики параметрические и генераторные.
Параметрическими называют такие датчики, которые преобразуют измеряемую величину в параметр электрической цепи — ток, напряжение, сопротивление и т. д.
Например, температурный контактный датчик преобразует изменение температуры в изменение сопротивления электрической цепи от минимального при замкнутых до бесконечно большого при разомкнутых контактах. Таким элементом является датчик температуры, устанавливаемый в бытовых утюгах.
Рис. 1. Схема регулирования температуры нагрева термоконтактом
В холодном утюге термоконтакт, чувствительный к изменению температуры замкнут, и при включении утюга в сеть через нагревательный элемент проходит ток, нагревающий его. При достижении подошвой утюга температуры срабатывания контакта он размыкается и отключает нагревательный элемент от сети.
Генераторным называют такой датчик, который преобразует измеряемую величину в эдс, например термопара, применяемая совместно с вольтметром для измерения температуры. Эдс на концах такой термопары пропорциональна разности температур холодного и нагретого спая.
Рис. 2. Устройство термопары
Устройство и принцип действия термопары. Рабочим органом термопары является чувствительный элемент, состоящий из двух разнородных термоэлектродов 9, сваренных между собой на конце 11, который составляет горячий спай. Термоэлектроды изолированы по всей длине с помощью изоляторов 1 и помещены в защитную арматуру 10. Свободные концы элемента подключены к контактам термопары 7, расположенным в головке 4, которая закрывается крышкой 6, имеющей прокладку 5. Положительный термоэлектрод подключают к контакту со знаком " + ".
Герметизация вводов термоэлектродов 9 осуществляется с помощью эпоксидного компаунда 8. Рабочий конец термопары изолируют от защитной арматуры керамическим наконечником, который в некоторых конструкциях для уменьшения тепловой инерционности, может отсутствовать. Термопары могут иметь штуцер 2 для крепления по месту и штуцер 3 для ввода соединительных проводов измерительных приборов.
Подробнее про классификацию, устройство и принцип действия термопар читайте в этой статье: Термоэлектрические преобразователи
Отличия параметрических датчиков от генераторных
В параметрических датчиках под воздействием входного сигнала изменяется какой-либо параметр датчика (сопротивление, емкость, индуктивность) и соответственно его выходной сигнал. Для их работы требуется внешний источник энергии. Генераторные датчики под действием входного сигнала генерируют эдс и не требуют дополнительного источника энергии.
Подробнее про различные виды датчиков читайте здесь: потенциометрические датчики, индуктивные датчики
Другие элементы автоматики
Усилитель — элемент, в котором входная и выходная величины имеют одинаковую физическую природу, но преобразуются в количественном отношении. Эффект усиления получается в результате использования энергии источника питания. В электрических усилителях различают коэффициент усиления по напряжению ku = Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току ki=Iвых/Iвх и коэффициент усиления по мощности kp=kuki.
Усилителем может служить любой электромашинный генератор. Небольшое изменение возбуждения приводит в нем к значительному изменению выходного сигнала — тока или напряжения нагрузки. Источником энергии служит двигатель, приводящий генератор во вращение.
Примеры усилителей, ранее активно использовавшихся в электроприводе: электромашинные усилители, магнитные усилители. В настоящее время для этих целей активно используются усилители и преобразователи на тиристорах и транзисторах с большой частотой коммутации.
Стабилизатор — элемент автоматики, обеспечивающий практически неизменное значение выходной величины при изменении входной величины в заданных пределах. Основной характеристикой стабилизатора является коэффициент стабилизации, показывающий, во сколько раз относительное изменение входной величины больше относительного изменения выходной величины. В электротехнических устройствах используют стабилизаторы тока и напряжения.
Подробнее о стабилизаторах читайте здесь: Феррорезонансные стабилизаторы напряжения и Электронные стабилизаторы напряжения
Реле — элемент, в котором при достижении определенной входной величины выходная величина изменяется скачком. Реле прнменяют для фиксации определенных значений входной величины, усиления сигнала, одновременной передачи сигнала в несколько электрически не связанных цепей. Наиболее распространены различные конструкции электромагнитных реле управления.
Распределитель — элемент автоматики, обеспечивающий поочередную коммутацию цепей для передачи сигнала. Распределение чаще всего используют в электрических цепях. Примером распределителя служит шаговый искатель.
Двигатель — механизм, преобразующий энергию какого-нибудь вида в механическую. Наиболее часто в устройствах автоматики используют электрические двигатели, но применяют и пневматические. В автоматике самыми распространенными устройствами такого типа являются шаговые двигатели.
Передатчик — устройство, предназначенное для преобразования одной величины в другую, удобную для передачи по каналу связи. Помимо основной функции передатчик обычно осуществляет кодирование преобразованной величины, позволяющее рационально использовать каналы связи и уменьшить влияние помех на передаваемый сигнал.
Приемник — устройство, преобразующее сигнал, полученный по каналу связи, в величину, удобную для восприятия элементами системы автоматики. Если при передаче сигнал кодируют, в приемник входит декодирующее устройство. Приемники и передатчики активно используются в системах телеуправления и телесигнализации.
Что такое автоматизация и для чего она нужна? Ответ здесь: Значение автоматизированных устройств и автоматических систем управления