Замечательную картину можно наблюдать в некоторых цехах наших передовых заводов. В них можно видеть длинную линию — «цепочку» сложнейших станков, которые «сами» производят обработку тех или иных изделий. В нужный момент станок включается, производит определённую операцию, меняет инструмент, снова работает, останавливается, передаёт изделие на следующий станок, а сам берётся за новое изделие и т. д. А люди? Людей почти не видно. Они наладили эту цепь «умных машин» — автоматов и лишь следят за их работой.
Каким образом работают подобные машины-автоматы?
Всякий автомат в нужный момент получает от какого-нибудь «чувствующего» устройства сигнал и по этому сигналу включает тот или иной «исполнительный» орган. В большинстве случаев и сигнал и средство исполнения являются электрическими.
Вот один из простых примеров. Работает токарный станок-самоход: когда суппорт с резцом доходит до определённого места, он нажимает кнопку и тем самым замыкает ток, даёт «сигнал».
По этому сигналу автоматически, без участия человека, останавливается один мотор или пускается в ход другой и т. п. Обычно электрический ток такого «сигнала» очень слаб, а «исполнительный» ток может быть уже очень сильным.
Приспособления или устройства, которые, получив слабые токи «сигнала», включают или выключают мощные «исполнительные» токи, называются реле.
Реле являются важнейшей составной частью всякого автоматического станка или машины. На рисунке 18 изображена схема устройства одного из наиболее простых типов реле.
Рис. 18. Схема устройства электромагнитного реле.
Слабый ток-сигнал проходит по обмотке электромагнита, при этом якорь притягивается к магниту и замыкает цепь рабочего тока — начинает работать мотор.
В примере со станком-автоматом, который мы приводили, суппорт станка замыкает цепь сигнала чисто механически, нажимом кнопки. Но очень часто оказывается более удобным, чтобы ток-сигнал, приводящий в действие ту или иную машину, создавался при помощи фотоэлемента, на который в нужный момент начинает действовать свет. Такие устройства получили название фотореле[6].
Фотореле состоит из фотоэлемента, радио-лампового усилителя и устройства, включающего или выключающего тот или иной механизм. Такие реле могут быть включены двояким образом: они могут включать «исполнительный» ток либо тогда, когда возникает фотоэлектрический ток, либо тогда, когда этот ток исчезает. Иными словами, реле будет, как говорят, «срабатывать» либо при попадании света на фотоэлемент, либо при прекращении освещения фотоэлемента.
Фотореле могут работать как на постоянном, так и на переменном токе.
Советскими учёными за последние годы создано несколько типов совершенных высокочувствительных фотореле.
Изобретателем С. Клементьевым разработаны конструкции несложных самодельных фотореле очень небольших размеров; они особенно удобны для использования в различных автоматических устройствах.
Один из типов таких самодельных реле показан на рисунке 19.
Рис. 19. Общий вид самодельного фотореле СФ-4 конструкции инженера Клементьева.
Свет через тубус прибора падает на фотоэлемент. Возникающий фототок, усиленный радиолампой, поступает в электромагнитное реле, действующее, как было показано на рисунке 18, и замыкает или размыкает, таким образом, цепь сильного исполнительного тока.
Необычайно разнообразны применения фотореле. Мы приведём лишь несколько самых простых примеров.
В каждом крупном городе очень большое значение имеет своевременное включение и выключение уличного освещения.
Каждая лишняя минута горения тысяч уличных ламп означает бесцельную трату огромного количества электрической энергии. Но, с другой стороны, слишком позднее включение уличного освещения затрудняет движение на улицах и может приводить к катастрофам.
В настоящее время построены приборы, автоматически регулирующие включение и выключение уличных фонарей. На рисунке 20 вы видите фотоэлемент, соединённый с реле, включающим уличное освещение.
Рис. 20. Внешний вид прибора, следящего за включением и выключением уличного освещения.
Когда сила дневного света на улице падает ниже определённого предела, ток в фотоэлементе становится настолько слабым, что устройство включает электрические лампы уличных фонарей. Утром, когда сила дневного света становится достаточной для нормальной видимости на улицах, сила тока в «электрическом глазе» снова возрастает, и фонарь выключается.
Фотореле могут также с успехом включать и выключать свет маяков и бакенов. Советскими инженерами Щекиным и Синицыным такой автоматический электробакен был, например, сделан для канала имени Москвы.
Широкое применение могут найти и уже находят такие приборы и на различных предприятиях. Вместо зажигания света «на-глазок» гораздо экономнее иметь прибор, который включает свет в тот момент, когда это необходимо для данного производства.
Такого же рода установка может применяться для предупреждения пожаров в закрытых тёмных помещениях. Здесь фотореле даёт тревожный звонок при появлении в помещении огня или дыма.
Очень широко используется в автоматике принцип так называемой «световой преграды». Она осуществляется как на видимых, так и на невидимых лучах. Устраивают это так. Направляют на фотоэлемент пучок света от какого-нибудь фонаря и соединяют этот «электрический глаз» с реле. Реле устроено так, что оно «срабатывает», т. е. включает тот или иной механизм, в тот момент, когда какое-нибудь постороннее тело пересекает пучок света.
На обложке нашей книжки вы видите построенную на этом принципе установку для автоматического открывания и закрывания дверей. Автомобиль подходит к дверям гаража. Как только он пересекает первый, наружный, луч света, включается в работу электромоторчик, и двери открываются. Входя внутрь гаража, машина пересекает вторую световую преграду, и двери закрываются.
«Электрический швейцар» действует точно и безотказно.
На горных дорогах, где имеются туннели, нередко бывает так, что идущая с большим грузом автомашина нс может свободно пройти через туннель — высота груза вплотную достигает или даже превышает размеры туннеля. В таких случаях часто происходят аварии с машинами. «Электрический глаз» может легко это предупредить. Перед входом в туннель — в его верхней части — устанавливается источник света — так, чтобы луч шёл в воздухе параллельно дороге — навстречу подъезжающим к туннелю автомашинам. Если груз на машине не превышает высоты туннеля, луч света не падает на этот груз, и машина может спокойно проезжать через туннель. Но как только перед туннелем оказывается автомашина с очень высоким грузом, луч света уже падает на груз, отражается от него и, отражённый, падает на фотоэлемент, укреплённый рядом с источником света. Перед входом в туннель загорается красная предупредительная надпись: «проезд закрыт», или подаётся резкий сигнал тревоги.
Можно устроить световую преграду и на невидимых лучах, например на ультрафиолетовых или инфракрасных лучах. Преимущество такой преграды заключается в том, что она невидима. Подобные установки с успехом могут использоваться для охраны различных помещений и территорий.
А вот вам более важный пример.
Ещё до Отечественной войны у нас производились подобные предохранительные устройства к быстроходным прессам. На рисунке 21 вы видите такой пресс.
Рис. 21. Пресс тормозится, как только луч света пересекается каким-либо непрозрачным телом.
Слева установлен осветитель, луч которого попадает на фотореле. Пока свет действует на фотоэлемент, пресс может работать. Но если световой луч пересечён каким-либо непрозрачным телом, например, если рабочий не успел вовремя убрать руку, ток в фотоэлементе прекращается, приходит в действие реле, и тут же включается тормоз. Пресс опуститься не может. Таким путём предотвращаются несчастные случаи от нечаянного и преждевременного пуска пресса в ход или от «повторного удара» пресса.
Предохранительные устройства с фотореле могут устанавливаться у самых различных машин: у вальцов, ножниц, штампов и т. п.
На железнодорожном транспорте «световая преграда» может быть использована для самых различных операций: для остановки поездов, для автоматической сигнализации при разрыве железнодорожных составов в пути, для сигнализации на железнодорожных переездах, для контроля за скоростью движения поездов и т. д.
Вот как, например, может быть устроен фотоэлектронный семафор, останавливающий поезд. На столбе сема-фора устанавливается небольшой прожектор, бросающий луч света на проходящие составы. При этом свет падает на установленный в определённом месте на паровозе фотоэлемент. В последнем возникает фотоэлектронный ток, который, пройдя через усилители, автоматически включает тормоза состава. Таким образом, если только лампа прожектора зажжена, мимо него поезд пройти не сможет, независимо от того, заметил машинист такой своеобразный «закрытый семафор» или нет.
Особенно ценной такая установка может быть в том случае, если прожектор фотоэлектронного семафора будет посылать не видимые лучи, а невидимые — инфракрасные. Соответственно этому и фотоэлемент, установленный на паровозе, должен реагировать только на эти невидимые лучи. В этом случае фотоэлектронный семафор будет прекрасно действовать при любой погоде, например при густом тумане, так как инфракрасные лучи хорошо проходят сквозь туман.
Лабораторией горной электротехники Донецкого индустриального института был сконструирован «автоматический стрелочник», работающий при помощи фотореле. Такой «стрелочник» с успехом может заменить человека в шахте. Приближаясь к стрелке, машинист электровоза, не останавливая состава, поднимает руку и на мгновение пересекает тот или другой световой луч фотореле. Стрелка переводится на нужный путь.
Подобного рода устройства применяются и для автоматического счёта различных предметов, например, для счёта изделий, движущихся по конвейеру. Каждый раз, как какое-либо непрозрачное тело пересекает этот пучок, сила тока в фотоэлементе резко падает. Нетрудно устроить приспособление, которое при таком падении силы тока будет автоматически поворачивать колесо счётчика на одно деление, то есть считать проходящие предметы.
Такого рода устройства способны считать безошибочно с очень большой скоростью — например, тысячу и больше деталей в минуту!
Легко могут быть использованы фотореле и для сортировки различных деталей по их цвету или форме. В этом случае конструируют такую установку, в которой на фотоэлемент падает свет, отражаемый деталью, движущейся по определённому пути. В зависимости от яркости этого света фотореле включает механизм, направляющий изделие в ту или иную сторону.
Фотоэлементы способны браковать различные изделия с точностью, на которую не способен человек. Так, они могут замечать на деталях самые малейшие трещины, которые не может заметить человеческий глаз.
Крайне ценную службу контроля могут нести фотоэлементы при изготовлении различных красок.
«Электрические глаза» чувствительны ко всем тончайшим оттенкам цветов. Установлено, что фотоэлементы различают не менее одного миллиона оттенков!
Широко могут использоваться в промышленности установки с фотореле для автоматического контроля уровня различных жидкостей и сыпучих тел. Принцип работы таких установок очень прост. Представьте себе, что с одной стороны какого-либо чана или закрытого бака, на его верхней части, установлен осветитель, а напротив — фотореле. Пока бак пуст, луч света падает на фотореле и благодаря этому горит сигнальная лампочка. Однако стоит только заполнить бак выше того уровня, на котором установлен осветитель фотореле, как тотчас же сработает фотореле и сигнальная лампочка погаснет.
Вместо контрольной лампочки может быть установлен электрический звонок. Можно сделать также, что вместо световой или звуковой сигнализации автоматически начинают работать насосы или конвейеры, подающие в тот или иной резервуар жидкость или сыпучее тело.
Такие установки могут применяться на самых различных производствах — при загрузках зерном, мукой, нефтью, углем.
Примеров использования фотоэлементов можно привести очень много. Так, фотоэлементы приносят огромную пользу и при автоматическом контроле и при управлении ходом сложных химических и технологических процессов.
Приведём только один такой пример. Хорошо известно, сколько внимания требуется от кочегара или машиниста, например, на пароходе или в заводской котельной, чтобы правильно регулировать ход горения топлива в топке, вовремя усиливать или ослаблять подачу горючего и воздуха. Фотоэлемент даёт возможность осуществлять такой контроль автоматически. Поперёк дымовой трубы направляют пучок света, падающий на фотоэлемент, соединённый с реле (рис. 22).
Рис. 22. Фотоэлектронная установка регулирует ход горения в топке.
Всякое изменение густоты и цвета дыма будет изменять его прозрачность и, следовательно, будет изменять силу тока в фотоэлементе. Можно отрегулировать прибор так, что при всяком отклонении густоты и цвета дыма от нормы в ту или иную сторону будут автоматически включаться приспособления, регулирующие ход горения в топке.
Подобный «кочегар-автомат» даёт возможность сэкономить многие тысячи тонн топлива.
Таким же или сходным образом можно автоматически регулировать течение и других химических процессов.
Не менее многообразны возможности применения фотореле и в военном деле. И здесь «электрические глаза» способны делать необыкновенные вещи. Вот несколько примеров.
В печати отмечалось, что в годы второй мировой войны на многих кораблях фотоэлементы успешно выступали в роли… разведчиков. Для этого применялись высокочувствительные фотоэлементы, воспринимающие лишь тепловые, т. е. инфракрасные лучи. Такие приборы в любую погоду — в тумане, ночью — «улавливали» на далёких расстояниях тепловое излучение, идущее от нагретых дымовых труб вражеских кораблей, и таким образом давали возможность своевременно определять присутствие противника.
Военными специалистами ряда стран выдвигались предложения устройства фотоэлектронных торпед. Установленный в головной части таких торпед фотоэлемент посылает торпеду, с помощью специальных рулей поворота, точно в направлении сильного пучка световых лучей. В печати отмечалось, что фотоэлектронная торпеда может быть использована в ночном бою как против различных наземных целей, так и против самолётов. Как указывалось, стоит, например, «поймать» лучом прожектора самолёт противника и тут же послать вдоль по лучу торпеду с фотоэлементом, как такая торпеда обязательно попадёт в цель. Для этого лишь необходимо не выпускать самолёт из луча прожектора. Точно так же фотоэлектронная торпеда, сброшенная с самолёта, летит на свет прожекторной установки, установленной, например, на корабле.
В обоих последних примерах фотоэлемент действительно как бы видит цель.
Отмечалось также, что широкое применение в военных условиях может найти и «световая преграда» с помощью инфракрасных лучей, о которой мы говорили выше. Здесь, помимо сигнальных приспособлений, с фотоэлементами часто соединяют и различные средства поражения, например, мину, которая взрывается в тот момент, когда какое-либо тело, скажем танк или автомобиль, пересекает невидимый луч света.
Среди других многочисленных военных применений фотоэлементов небезынтересно применение фотореле в стрелковом тире.
Если в центре мишени укрепить фотоэлемент, вставленный в короткую трубку, то по такой мишени можно стрелять светом! Устройство ружья, стреляющего лучами света, несложно. В стволе такого ружья имеются небольшое вогнутое зеркальце и маленькая электрическая лампочка с точечной нитью накала; при этом свет от лампочки отражается зеркальцем так, что из ствола выходит тонкий параллельный луч света. Источником электрического тока могут служить обыкновенные сухие батарейки для карманного электрического фонаря, закреплённые где-либо в прикладе ружья.
Включение электрической лампочки на короткую долю секунды осуществляется при помощи спускового крючка «светового ружья».
Таким образом, если стрелок прицелился точно, то при «выстреле» короткий луч света падает на фотоэлемент, и фотореле срабатывает. Нетрудно устроить, чтобы при этом на мишени загоралась лампочка или, скажем, звонил звонок.
Не имея возможности умножать число примеров использования фотоэлементов в нашей жизни, скажем лишь, что они могут быть с успехом и пользой применены в любой отрасли техники. Автоматическое взвешивание, измерение скорости движения различных тел, контроль размеров и качества изделий, автоматический контроль и регулировка давления, температуры, влажности, концентрации в химической, металлургической, текстильной, пищевой, горной, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности — всё это далеко не полный список того, что может делать замечательный физический прибор — фотоэлемент!
И, наконец, нельзя не упомянуть о применении «электрических глаз» для измерения световой энергии. Высокая чувствительность фотоэлементов и совершенство современных приборов и методов измерения слабых электрических токов позволяют быстро и точно измерять с помощью фотоэлементов даже чрезвычайно слабый свет, например свет, идущий от далёких звёзд, которые едва видит или даже совсем не видит человеческий глаз. В настоящее время в научных лабораториях работает множество оптических приборов, в которых сила света измеряется по силе электрического тока, возникающего в фотоэлементах. Эти приборы помогают учёным глубже и точнее проникать в сущность физических явлений в окружающем нас мире, а это в свою очередь является залогом и основой дальнейшего развития техники.