книги / Проектирование систем управления технологическими процессами и производствами

7.5. Аппаратные средства автоматизированных систем управления технологическими процессами

7.5.1. Датчики неэлектрических величин

Общие сведения

Датчики представляют собой электрические аппараты, предназ­ наченные для преобразования непрерывного изменения входной (контролируемой) неэлектрической величины в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления — линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивления, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

Основной характеристикой датчика является чувствительность:

Датчики могут быть линейными (S = const) и нелинейными (S = var). У последних чувствительность зависит от входной вели­ чины. Важным параметром датчика является порог чувствительности, представляющий собой наименьшее значение входной величины, вызывающее изменение выходной величины, которое может быть измерено.

Номинальной характеристикой датчика называется зависимость выходной величины от входной. Эта характеристика дается в паспорте датчика и используется как расчетная при измерениях. Экспери­ ментально снятая зависимость вход-выход отличается от номиналь­ ной на погрешность.

Различают абсолютную и относительную погрешности датчика

где X - значение входной величины датчика, определяемое по выходной величине и номинальной характеристике;

Хд- действительное значение входной величины. Введем номинальный коэффициент преобразования

(7.15) Аналогично могут быть рассмотрены погрешности датчика по

выходу.

На погрешность оказывают влияние внешние условия эксплуата­ ции: температура, магнитные и электрические поля, влажность окру­ жающей среды, напряжение и частота источника питания, механи­ ческие и радиационные воздействия и др. Допустимая интенсивность внешних воздействий оговаривается в технических условиях на поставку датчика.

Погрешности датчика при нормальных значениях внешних пара­ метров (нормальной температуре, нормальном атмосферном дав­ лении, номинальных значениях напряжения и частоты питания и т. п.) называются основными.

Различают аддитивную погрешность, не зависящую от значения входной величины^ и мультипликативную погрешность, зависящую от нее (погрешность чувствительности).

На рис. 7.4 показана зависимость относительной погрешности у0 от входной величины X Здесь Хн - нижнее значение, Хв - верхнее значение входных величин, при которых нормируется основная погрешность.

м

Рис. 7.4. Зависимость относительной погрешности от входной величины X

Если параметры внешних условий выходят за границы норми­ руемых, то возникают дополнительные погрешности. Для уменьше­ ния дополнительных погрешностей либо снижают чувствительность датчика к внешним условиям, либо уменьшают степень их влияния.

Если сечение каркаса 2, на котором намотан резистор, всюду одинаково, то сопротивление датчика меняется пропорционально углу поворота а, или ходу х. При необходимости зависимость R(a, х) может быть сделана нелинейной. Тогда каркас имеет переменное сечение или резисторы rl - гб неодинаковы по сопротивлению (рис. 7.5в и 7.5г).

Возможные схемы включения датчиков приведены на рис.7.6. Наиболее простой является реостатная схема (рис.7.6а). Широко применяется потенциометрическая схема (рис.7.6б/ Если входное сопротивление измерительной схемы велико, то выходное напряже­

Рис. 7.6. Схемы включения резистивных датчиков

Чувствительность датчика с линейным перемещением подвиж­ ного контакта.

Для повышения чувствительности желательно увеличивать напряжение питания Uff Однако при этом растет мощность, рассеива­ емая датчиком.

В схеме рис.7.6в при перемещении подвижного контакта вниз или вверх от начального среднего положения (а = 0) выходное напря­ жение меняет полярность. В схеме рис.7.6г при перемещении левого подвижного контакта вниз правый с помощью механической передачи движется вверх. При этом чувствительность возрастает в 2 раза. Чувствительность резистивных датчиков может быть 3 - 5 В/мм.

Погрешность работы датчиков зависит от стабильности питаю­ щего напряжения U0, точности изготовления конструктивных деталей, температурной стабильности использованного проводникового материала. Для повышения температурной стабильности следует применять проволоку с малым температурным коэффициентом сопротивления.

В качестве примера применения резистивного датчика рассмот­ рим устройство для регистрации скорости контактов силовых комму­ тационных аппаратов, например, высоковольтных выключателей. С подвижным контактом выключателя жестко связывается подвижный контакт датчика (рис. 7.7). Выходное напряжение датчика подается через добавочный резистор R на осциллографический гальвано­ метр ОГ.

Рис. 7.7. Резистивный датчик хода контактов высоковольтных выключателей

Достоинством такого датчика является независимость его точнос­ ти от питающего напряжения Uff Резистивные датчики применяются для измерения линейных и угловых перемещений. С их помощью можно измерить уровень и расход жидкости (датчик соединяется с поплавком), силу (датчик соединяется с упругим элементом, деформируемым измеряемой силой), размеры и т.д.

Преимущества резистивных датчиков заключаются в простоте конструкции, точности работы до 0,5 %, малых массе и габаритах.

Недостатком является наличие подвижного контакта, ухудшаю­ щего надежность работы и уменьшающего срок службы.

Контактные релейные датчики. Для контроля размеров и от­ браковки негодных деталей широко применяются контактные релей­ ные датчики (рис. 7.8).

разно применять схемные методы.

Следует отметить, что при малом'расстоянии между контактами (1 мкм) даже при напряжении 10 В создается высокий градиент поля Е=107 В/м, что может привести к интенсивной эрозии контактов. Мощность, коммутируемая контактами, не должна превышать 100150 мВт.

Минимальная погрешность при срабатывании контактного датчика находится в пределах 1 - 2 мкм.

Бесконтактные датчики (индуктивные и индукционные)

Индуктивные датчики. Рассмотрим простейший индуктивный датчик (рис. 7.9; 7.10).

У<*B+ W + w

Индуктивность обмотки L и протекающий по ней ток / могут из­ меняться за счет изменения зазора 5 или его площади S. На рис.7.9а представлен датчик с изменяемым зазором 5, а на рис.7.10а - с изме­ няемой площадью S зазора, пропорциональной координате переме­ щения d. Зависимость индуктивности и тока от зазора дана на рис.7.96, а зависимость индуктивности от площади или координаты d — на рис.7.106.

Погрешности индуктивных датчиков определяются стабиль­ ностью напряжения и частоты источника питания, влиянием темпера­ туры на активное сопротивление обмотки и размерами рабочего зазора.

Чувствительность индуктивного датчика изменится при изме­ нении площади, где Lo - начальное значение индуктивности датчика при б = 5а и S=S0; So, S0 - длина зазора и его площадь в начале хода; Л5 и AS - изменение зазора и площади.

Таким образом, чувствительность SS является нелинейной функцией Аб. Для работы с малой нелинейностью целесообразно выбирать Аб/бо<0,2.

Индукционные датчики. Если изменяется потокосцепление, связанное с проводником или катушкой, то в них возникает ЭДС. Это происходит при движении проводника в магнитном поле или магнит­ ного поля, пересекающего неподвижный проводник. ЭДС индукции возникает и тогда, когда потокосцепление изменяется в результате изменения магнитной проводимости. Эти явления лежат в основе работы индукционных датчиков.

Индукционные датчики часто используются как датчики скорос­ ти. Если использовать дифференцирующие и интегрирующие це­ почки, то можно получить выходные величины, пропорциональные ускорению и перемещению.

Для контроля частоты вращения используются датчики в виде тахогенераторов и импульсных индукционных датчиков. Тахогенератор постоянного тока может представлять собой генератор малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. ЭДС на выходе такого генератора пропорциональна частоте его вращения.

Для повышения линейности выходной характеристики сопро­ тивление нагрузки должно быть возможно больше (уменьшается реакция якоря). Переходное сопротивление щеток вносит сущест­ венную погрешность.

Более надёжны асинхронные тахогенераторы. Обмотка статора питается от источника переменного тока частотой 400 - 500 Гц. Обмотка неподвижна и сдвинута относительно обмотки на 90°. Полый алюминиевый ротор связан с валом, скорость которого контро­ лируется.

7.5.2. Средства измерения температуры

Классификация средств измерения температуры

Виды средств измерения температуры (°С) приведены в табл.7.1.

Таблица 7.1

Виды средств измерения / °С

Применение видов средств измерения температуры (°С) в техно­ логическом процессе представлены в табл.7.2.

Таблица 7.2

Рассмотрим средства измерения температуры (°С) различных видов.

Терморезистивные. В качестве чувствительного элемента используются термопары (термопреобразователи сопротивления):

-из медной проволоки ТСМ (-50. ..180) °С;

-из платиновой проволоки ТСП ((-260...600) °С. Требования, предъявляемые к термопреобразователям:

-соответствие диапазона;

-правильность выбора места установки;

-соответствие прочности материала и арматуры крепления

условиям эксплуатации; - правильный выбор длины проводов монтажной части.

Термоэлектрические преобразователи. Предназначены для измерения высоких температур (в том числе и при погружении в жидкую среду).

Они снабжены замкнутыми трубками из металла или керамики:

-стальные трубки - до 600 °С;

-жаростойкие сплавы - до 1100 °С;

-фарфоровые - д о 1300° С.

По инерционности измерений термопреобразователи делятся на:

-малоинерционные (время измерения до 40 с);

-средней инерционности (время измерения до 1 мин);

-большой инерционности (время измерения до 3,5 мин);

-ненормируемые (время измерения больше 3,5 мин).

Чувствительные элементы термоэлектрических преобразовате­ лей изготавливаются из благородных и неблагородных сплавов:

-хромель-алюминиевый марки ТХА;

-хромель-калиевый марки ТХК;

-платиново-родиевый марки ТИР;

-вольфрамо-родиевый марки ТВР.

Манометрические. Применяются в показывающих приборах прямого измерения, в измерительных приборах с унифицированным выходным сигналом.

Предназначены для дистанционного измерения температуры газов, паров и жидкостей.

Достоинства:

-простота и надежность конструкции;

-нечувствительность к внешним электромагнитным полям. Максимальное расстояние измерения температуры - до 40 м.

Радиационные (пирометры).

Достоинства:

-отсутствие контакта с внешней средой;

-практически неограниченный верхний предел измерений;

-высокое быстродействие;

-отсутствие влияния пирометра на температурное поле объекта;

-возможность измерения температуры подвижного объекта. Недостатки связаны с методическими погрешностями, обуслов­

ленными запыленностью среды измерения и неоднозначной зависи­ мостью уровня измерения объекта от температурыОднозначность проявляется только у абсолютно черного тела.

Взависимости от времени измерения температуры:

-малоинерционные - время установления до 1 с;

-средней инерционности - время установления до 2 с;

-большой инерционности - время установления >2 с.

Под временем установления показаний понимают время, за которое температура достигает 5% от установившегося значения.

Дилатометрические.

Биметаллические.

И те и другие имеют простую конструкцию, высокую надежность измерения и применяются в сигнализирующих измерительных приборах.