книги / Элементы и структуры систем автоматизации технологических процессов нефтяной и газовой промышленности

где α − угол отклонения ротора, создаваемый объектом управления;

Emax − максимальная ЭДС, наводимая в петлевой обмотке ротора.

Характеристика этого датчика нелинейна, и величина ее зависит от параметра α. Чем больше α, тем более нелинейна его выходная характеристика.

Трансформаторные датчики являются основой для работы электромеханических устройств дистанционного углового перемещения объектов управления. К таким устройствам относятся сельсины.

Сельсины

Сельсином называют электромеханическое устройство, предназначенное для дистанционного углового управления объектом. Сельсины всегда работают в паре. При этом один из них называется сельсином-датчиком (СД), он задает угловое перемещение объектам; второй – сельсином-приемником (СП), он связан с объектом управления и отрабатывает заданный сельси- ном-датчиком угол перемещения. Оба типа сельсинов устроены одинаково. Сельсин состоит из статорной однофазной обмотки возбуждения (ОВ) и роторной трехфазной обмотки синхронизации (ОС).

По способу соединения между собой обмоток сельсинадатчика и сельсина-приемника различают две схемы: индикаторную и трансформаторную.

Индикаторная схема соединения сельсинов (рис.19) приме-

няется в том случае, когда объект управления оказывает незначительное сопротивление своему угловому перемещению, и поэтому для поворота объекта управления достаточно энергии сельсина-приемника.

31

одинаковыми (равными нулю), поэтому в линии связи ток отсутствует и сельсины находятся в равновесном, согласованном состоянии. Аналогичное согласованное, но неустойчивое состояние будетнаблюдаться, если θ =180º.

Если θ ≠ 0, то потенциалы в точках А и A'; B и B'; C и C' будут неодинаковыми и в линии связи пойдет ток, который будет взаимодействовать с магнитным потоком возбуждения. В результате образуется момент вращения роторов сельсинов

Этот момент поворачивает роторы сельсинов в согласованное состояние. Он будет достигать максимальной величины при θ = 90 º. Если величина θ = 180 º, то сельсины вновь находятся в согласованном, но неустойчивом состоянии, так как любое незначительное отклонение от этого углового положения вызывает появление вращающего момента, стремящегося повернуть роторы сельсинов в устойчивое согласованное состояние.

Трансформаторная схема соединения сельсинов (рис. 20)

используется в том случае, если объект управления оказывает большое сопротивление его повороту. При этом энергии сель- сина-приемника недостаточно для поворота объекта управления. В этом случае поворот осуществляется за счет подвода дополнительной энергии к сельсину-приемнику.

Рис. 20. Трансформаторная схема соединения сельсинов

33

По трансформаторной схеме соединения сельсинов обмотка возбуждения сельсина-датчика подключается так же, как в предыдущей схеме, а обмотка возбуждения сельсина-приемника подключается ко входу усилителя (источника внешней энергии). Выходной сигнал усилителя питает исполнительный двигатель, один конец вала которого соединен с ротором сельсинаприемника, а другой − с объектом управления.

Принцип работы сельсинов, соединенных по этой схеме, несколько отличается от предыдущего. Обмотка возбуждения сельсина-датчика создает в обмотке синхронизации этого сельсина переменную ЭДС, величина которой подсчитывается по формулам (4). Так как обмотка возбуждения сельсинаприемника подключена на вход усилителя, то в этой обмотке нет ЭДС, следовательно, она не возбуждает магнитного потока. Поэтому в точках А′ , B′ , C′ напряжение отсутствует и в линии связи всегда есть разность потенциалов, а значит, там всегда течет ток. Этот ток наводит магнитный поток в каждой фазе А′ , B′ , C′ обмотки синхронизации сельсина-приемника. Вектор суммарного направления этого потока всегда отклонен на угол θ относительно магнитной оси обмотки возбуждения сель- сина-датчика (или приемника).

Если θ = 0, то направление суммарного магнитного потока обмотки синхронизации сельсина-приемника будет совпадать смагнитной осью обмотки возбуждения этого сельсина. В результате этого суммарным магнитным потоком в этой обмотке будет наводиться максимальная ЭДС. Так как обмотка возбуждения сельсина-приемника соединена со входом усилителя, то при появлении в ней ЭДС на выходе усилителя появляется сигнал, который будет питать исполнительный двигатель. При подаче сигнала от усилителя к двигателю начинается его вращение и одновременное угловое перемещение как объекта управления, так и ротора сель- сина-приемника. При повороте этого ротора меняется направление суммарного магнитного потока его обмоток синхронизации. При этом вследствие изменения величины угла θ меняется наводимая вусилителе ЭДС, величина которой будет уменьшаться от макси-

34

мума до нуля, если величина θ будет стремиться к 90º. При θ = 90 º величина входного и выходного сигналов усилителя будет равна нулю. При этом возникает согласованное состояние сельсинов, так как вращающий момент на двигателе равен нулю. Неустойчивое согласованное состояние сельсинов, соединенных по этойсхеме, будетнаблюдаться при θ = 270 º.

4.1.2. Датчики уровня

По виду измеряемой среды все датчики уровня делятся на датчики измерения уровня раздела жидкой фазы этой среды и датчики измерения уровня раздела сыпучей фазы измеряемой среды.

Датчики измерения уровня раздела жидкой фазы

По принципу работы датчики измерения уровня раздела жидкой фазы делятся на поплавково-реостатные, поплавковоимпульсные, поплавково-резисторные, поплавково-контактные.

Основой поплавково-реостатного датчика уровня (рис. 21)

является поплавок 1, связанный рычажной системой 2 с движком потенциометра 3. При изменении уровня жидкой среды, на поверхности которой плавает поплавок 1, изменяется положение движка потенциометра 3. В результате этого изменяется величина выходного сигнала Uвых.

Рис. 21. Схема поплавково-реостатного датчика уровня

35

Поплавково-импульсный датчик уровня, показанный на рис. 22, состоит из излучателя ультразвуковых колебаний 1, воспринимающей катушки 2, волновода 3 и поплавка со встроенным постоянным магнитом 4. Принцип работы этого датчика состоит в том, что излучатель 1 посылает по волноводу 3 импульс ультразвуковых колебаний, который распространяется по этому волноводу. Звуковая волна в волноводе представляет собой перемещающийся со скоростью звука деформированный его участок. С другой стороны постоянный магнит поплавка намагничивает волновод в области их соприкосновения, создавая в этой области магнитное поле. Согласно магнитострикционному эффекту деформация магнитопровода (волновода) вызывает изменение магнитного поля (в области соприкосновения с поплавком магнитное поле ослабляется на время прохождения звуковой волны). В свою очередь, изменение магнитного поля вызывает появление ЭДС в воспринимающей катушке 2, расположенной внутри волновода. Эта ЭДС проявляется в виде короткого вторичного (отраженного) импульса напряжения в катушке 2, смещенного по времени появления от первоначального ультразвукового импульса. Система измерения датчика определяет промежуток времени между появлениями излучаемого и отраженного импульсов, величина которого прямо пропорциональна положению поплавка на волноводе.

Рис. 22. Схема поплавково-импульсного датчика уровня

36

Существуют поплавково-импульсные датчики уровня, работающие по принципу обратного магнитострикционного эффекта. В этом случае первоначальный излучающий импульс подается вкатушку 2, расположенную внутри волновода 3 датчика. Этот импульс меняет величину магнитного потока поплавка. За счет обратного магнитострикционного эффекта происходит механическая деформация волновода в зоне его сопряжения с магнитом поплавка. Эта деформация в виде звуковой волны распространяется по волноводу и через некоторое время достигает его верхнего торца, где расположен чувствительный пьезоэлемент. Деформируясь, этот элемент вызывает появление отраженного электрического импульса, аналогичного отраженному импульсу датчика, работающего по принципу прямого магнитострикционного эффекта.

Поплавково-резисторный датчик уровня, показанный на рис. 23, а, состоит из набора сопротивлений 2 (резисторов), последовательно подсоединенных к сопротивлению нагрузки Rн и к источнику питания и помещенных внутри направляющей трубы 1. К точке сопряжения каждой пары резисторов подключается магнитоуправляемый контакт 4 (геркон), который может быть замкнут магнитным полем постоянного магнита, встроенного в поплавок 3. Принцип работы этого датчика состоит в том, что, плавая на поверхности жидкой фазы, поплавок 3 магнитным полем своего постоянного магнита замыкает только те герконы, которые находятся в непосредственной близости от полюсов этого магнита. При замыкании каждого из герконов закорачивается электрическая цепь последовательного подключения резисторов, в результате чего изменяется напряжение Uвых на сопротивлении нагрузки.

Поплавково-контактный датчик уровня, показанный на рис. 23, б, состоит из пустотелого поплавка 1, внутри которого помещается токопроводящий шар 2. Поплавок прикреплен на некотором постоянном уровне гибкой связью к стенке сосуда с жидкостью. Через гибкую связь проходят провода к контакту 3, расположенному во внутренней полости поплавка. Этот датчик относится к датчикам дискретного типа.

37

в этом случае должна быть невысокой, чтобы сыпучий материал, перекрывающий зазор между излучателем 1 и приемником 2, был способен поглотить энергию этого излучения.

Рис. 24. Схемы датчиков для измерения уровня раздела сыпучих сред

При восприятии фотодиодами излучения каждый из них шунтирует соответствующее сопротивление 3 и тем самым про- порционально-дискретно изменяет величину выходного сигнала. Кроме видимого света в таких датчиках могут быть использованы источники радиоактивного излучения.

4.1.3. Датчики скорости

Датчики скорости, как правило, являются датчиками генераторного типа. Поток энергии сигнала датчика скорости возбуждается в электрогенераторах особого типа, которые должны обязательно обладать линейной характеристикой. Такие генераторы электрической энергии называются тахогенераторами и делятся на два вида: тахогенераторы постоянного тока и тахогенераторы переменного тока.

Тахогенератор постоянного тока

Тахогенератор постоянного тока (рис. 25,а) состоит из вращающегося ротора 1 с секционной роторной обмоткой, связанного с объектом управления, который задает ему угловую ско-

39

рость ω. Возбуждение генератора производится статорной обмоткой возбуждения 2 или с помощью статорного постоянного магнита.

Рис. 25. Схема тахогенератора постоянного тока (а) и его характеристика (б)

Принцип работы этого тахогенератора заключается в следующем. При вращении ротора в магнитном поле стационарной обмотки возбуждения в обмотке ротора наводится ЭДС, пропорциональная скорости вращения ротора, которая снимается щетками 3 с вращающегося ротора. Эта ЭДС изменяется по линейному закону в рабочей области измерения скоростей (рис. 25,б). За пределами рабочей области тахогенератора происходит насыщение магнитной системы, поэтому появляется нелинейность в характеристике этого датчика.

Тахогенераторы переменного тока

Тахогенераторы переменного тока бывают двух видов: синхронные и асинхронные.

Синхронный тахогенератор переменного тока (рис. 26,а)

состоит из магнитопровода 1, ротора 2, выполненного в форме постоянного магнита, связанного с объектом управления, и рабочей обмотки 3, связанной с выпрямителем 4.

При вращении ротора 2 объектом управления полюса постоянного магнита создают переменное магнитное поле в магнитопроводе 1. Это поле наводит переменную ЭДС в рабочей

40