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

обмотке 3, которая выпрямителем 4 преобразуется в выходной сигнал постоянного тока. Амплитудное значение переменного напряжения статорной обмотки зависит от скорости ω вращения ротора.

Рис. 26. Схемы синхронного (а) и асинхронного (б) тахогенераторов

Асинхронный тахогенератор переменного тока (рис. 26,б)

состоит из ротора 1, выполненного в форме полого цилиндра и связанного с объектом управления, и двух статорных обмоток со взаимно перпендикулярными магнитными осями. Одна из этих обмоток – обмотка возбуждения (ОВ) 2 – подключена к источнику переменного напряжения. Вторая − обмотка управления (ОУ) 3 – связана с выпрямителем 4.

Если ротор неподвижен, то при подаче переменного напряжения в обмотку возбуждения создается первичный переменный магнитный поток, который наводит в поверхностном слое ротора вихревые токи. Эти токи, в свою очередь, создают вторичный магнитный поток, смещенный по времени появления (по фазе) на некоторый угол φ (как правило, φ = 90° ). Поэтому при неподвижном роторе вторичный магнитный поток не сцепляется с обмоткой управления, в результате чего выходной сигнал равен нулю.

При вращающемся роторе направление вторичного магнитного потока будет отклоняться от вертикали. При отклонении от вертикали вторичный магнитный поток будет сцепляться с обмоткой управления тем больше, чем выше скорость вращения

41

ротора. Вторичный магнитный поток будет создавать в обмотке управления переменную ЭДС, пропорциональную скорости вращения ротора. Выпрямитель преобразует переменную ЭДС обмотки управления в выходной сигнал постоянного напряжения. Амплитуда выходного сигнала этого датчика прямо пропорциональна скорости вращения ротора.

Тахогенераторы переменного тока обоих типов имеют характеристику, аналогичную характеристике тахогенератора постоянного тока.

4.1.4. Датчики усилия и момента

Различают три типа датчиков усилия и момента: тензометрические, магнитострикционные и пьезометрические датчики.

Тензометрический датчик усилия

Основой такого датчика является тензометрический чувствительный элемент, представленный на рис. 27,а. Тензометрический чувствительный элемент состоит из изоляционной подложки 1 и наклеенной на нее петлевой обмотки 2, выполненной из тонкой проволоки с высоким омическим сопротивлением или вырубленной из микронной фольги с аналогичными свойствами материала. В свою очередь, подложка наклеивается на деформируемый усилием F элемент 3.

Рис. 27. Тензометрический элемент (а)

и его подключение в измерительную схему (б)

42

При совместной деформации под действием усилия F элемента 3 и тензометрического элемента деформируется подложка 1 с петлевой обмоткой 2. По закону Гука любая продольная деформация тела вызывает появление его поперечной деформации, поэтому при продольной деформации петлевой обмотки на величину ∆L происходит изменение поперечного сечения ее провода (или фольги), что, в свою очередь, по закону Ома вызывает пропорциональное изменение омического сопротивления этой обмотки на величину ∆R.

Эта пропорциональность может быть отражена следующей математической зависимостью:

где L − длина петлевой обмотки;

R − сопротивление петлевой обмотки.

Даже при значительном удлинении петлевой обмотки величина изменения ее сопротивления составит доли ома, поэтому, чтобы уверенно зафиксировать изменение выходного сигнала, применяют мостовую схему подключения тензоэлементов, представленную на рис. 27,б. По этой схеме в одно из плеч резисторного моста вводятся сопротивления рабочего и компенсационного тензоэлементов, при этом деформируется только рабочий тензоэлемент с сопротивлением Rр.д, а компенсационный тензоэлемент с сопротивлением Rк.д является в этом мосте недеформируемым элементом сравнения.

При отсутствии деформации на измерительном мосте сопротивления рабочего и компенсационного датчиков одинаковы, поэтому напряжение от источника питания U в точках А и В будет одинаково, следовательно, и сигнал Uвых равен нулю. Для балансировки параметров рабочего и компенсационного

43

датчиков в схему вводятся уравновешивающие сопротивления R1 и R2 , причем сопротивление R2 является регулируемым

и подключается по схеме потенциометра.

При подаче деформирующей нагрузки на рабочий датчик его сопротивление меняется, поэтому в точках А и В появляется разность потенциалов, которая фиксируется как выходной сигнал.

Магнитострикционный датчик усилия

Магнитострикционный датчик (рис. 28,а) состоит из двух магнитопроводов 1, двух встречно намотанных обмоток возбуждения 2 и двух последовательно намотанных обмоток управления 3. Обмотки возбуждения подключены к источнику переменного напряжения.

Врезультате встречного подсоединения рабочих обмоток 2

вмагнитопроводах 1 этого датчика создаются встречные магнитные потоки, которые взаимно уравновешиваются. При отсутствии усилия, воздействующего на магнитопроводы 1, уравновешенные там магнитные потоки исключают появление ЭДС

вобмотках управления 3.

Рис. 28. Схемы магнитострикционного (а) и пьезометрического (б) датчиков

44

Под действием усилия F происходит деформация магнитопроводов датчика, которая вызывает изменение магнитной проницаемости его материала. В результате этого нарушается равновесие встречных магнитных потоков в этих магнитопроводах, что приводит к появлению результирующего переменного магнитного потока, воздействующего на обмотки управления. Вследствие этого там появляется выходной сигнал, который пропорционален величине нагрузки F, но только в зоне рабочей характеристики датчика.

Магнитострикционный датчик обладает обратным магнитострикционным эффектом, который заключается в том, что под действием переменного напряжения, поданного в обмотки управления, происходит деформация магнитопровода. Наиболее ярко этот эффект проявляется в механических колебаниях магнитопроводов работающих трансформаторов.

Пьезометрический датчик усилия

Чувствительным элементом пьезометрического датчика (рис. 28,б) является кристалл, обладающий пьезоэффектом. Суть этого эффекта состоит в том, что при деформации кристалла под действием усилия F на его поверхности появляется потенциал q. Величина этого потенциала пропорциональна некоторому коэффициенту ε и усилию F, деформирующему кристалл, т.е.

Величина ε называется пьезометрической постоянной. Она характеризует способность пьезометрических материалов генерировать поверхностный потенциал. К пьезометрическим материалам относятся: кристаллический кварц, титанат магния и сегнетова соль.

Пьезометрические материалы обладают обратным пьезометрическим эффектом, т.е. под действием потенциала, приложенного к поверхности кристалла, происходит его деформация.

45

4.1.5. Датчики температуры

По принципу действия датчики температуры делятся на ртутные, биметалллические, сильфонные, термопары и термосопротивления.

Ртутные датчики температуры

Ртутный датчик температуры (рис. 29,а) состоит из колбы 1 или сосуда, изготовленного из изоляционного материала (кварцевое стекло), с расширенным нижним концом, в который впаивается общий контакт 2. В зауженную часть колбы впаиваются контакты уровня температуры 3. Во внутреннюю полость сосуда помещается токопроводящая жидкость с большим объемным температурным расширением.

Рис. 29. Схемы ртутного (а) и биметаллического (б) датчиков температуры

Под действием температуры жидкость во внутренней части колбы изменяет свой объем, при этом ее уровень в зауженной части колбы соответственно меняется. Изменение уровня приводит к замыканию (или размыканию) уровневых контактов с общим контактом, находящимся в расширенной части колбы. При этом сигнал меняет свое состояние дискретно, поэтому данный датчик является датчиком дискретного типа.

46

Биметаллический датчик температуры

Биметаллический датчик температуры (рис. 29,б) состоит из биметаллической пластины 1, состоящей из склеенных (или склепанных) между собой двух пластин, выполненных из материалов сразличным линейным температурным расширением. Один конец биметаллической пластины жестко закреплен, а второй свободный конец еесвязан сдвижком 2 потенциометра 3.

Принцип работы этого датчика заключается в том, что под действием изменения температуры биметаллическая пластина, удлиняясь, изгибается в сторону пластины с меньшим линейным температурным расширением. В результате этого ее свободный конец перемещается по дуге вместе с движком потенциометра, который преобразует это перемещение в выходной электрический сигнал.

Сильфонный датчик температуры

Сильфоном называется гофрированный герметичный сосуд, который под действием внутреннего давления может упруго изменять свойпродольныйлинейный размер(аналогично пружине).

Сильфонный датчик (рис. 30,а) состоит из герметичного сильфона 1, жестко закрепленного одним из своих торцов. На другом свободном его торце закрепляется шток 2, связанный с движком потенциометра 3. Внутренняя полость сильфона заполняется жидкостью или газом с большим объемным температурным расширением.

Рис. 30. Схемы сильфонного (а) и термопарного (б) датчиков температуры

47

Под действием изменения температуры меняется объем жидкости или газа, помещенных во внутреннюю полость сильфона. В результате этого меняются продольные размеры сильфона, что приводит к перемещению его свободного торца, связанного с движком потенциометра, который преобразует это перемещение в выходной электрический сигнал.

Термопара

Термопара относится к датчикам температуры генераторного типа. Термопара (рис. 30, б) состоит из двух металлических проводников 1, спаянных своими концами в точке 2. Проводники выполняются из металлов различного типа (медь – серебро; медь – золото; вольфрам – молибден; вольфрам – платина; железо – константан и др.).

При нагреве проводников термопары в точке их спая происходит диффузия электронов, т.е. переход их из одного проводника вдругой, в результате чего на одном из проводников появляется избыток электронов, т.е. отрицательный потенциал, а на другом– недостаток электронов, т.е. положительный потенциал. Величина разности потенциалов проводников пропорциональна величине нагрева места спая. Так как эта разность потенциалов небольшая, тополученный сигнал требуетдальнейшего усиления.

Термосопротивления

Датчики этого типа параметрические, так как принцип их действия основан на изменении сопротивления электрическому току при изменении температуры нагрева. Термосопротивления бывают двух типов: металлические и полупроводниковые. В качестве материалов для металлических термосопротивлений используются: Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Mo и др.

Особенностью работы металлических термосопротивлений является то, что под действием температуры их сопротивление электрическому току увеличивается, т.е. выходной сигнал датчика с увеличением температуры падает по уровню, что является недостатком этого типа датчиков.

48

Полупроводниковые термосопротивления, в отличие от металлических, имеют высокую первоначальную величину сопротивления электрическому току, которая уменьшается с увеличением их нагрева. Поэтому с ростом температуры выходной сигнал таких датчиков увеличивается. Полупроводниковые термосопротивления называютсятермисторами и значительно чаще применяются в системах автоматики. Изготавливаются термисторы из окислов различных металлов. При изготовлении таких термосопротивлений оксиднымипленкамипокрываютсядиэлектрическиекаркасы.

4.1.6. Датчики давления

Датчики давления предназначены для измерения давления в различных технологических процессах или функциональных устройствах объектов управления. Датчики этого типа бывают двух видов: для замера абсолютного и относительного давления.

По конструктивному исполнению датчики давления делятся на жидкостные, трубчатые, сильфонные и мембранные.

Жидкостный датчик давления

Жидкостный датчик давления, представленный на рис. 31, а, относится к датчикам разностного типа. Состоит он из сообщающихся сосудов 1, один из них имеет расширенную часть, в которой помещается поплавок 2, связанный через шток с движком потенциометра 3.

Рис. 31. Схемы жидкостного (а) и трубчатого (б) датчиков давления

49

В расширенную часть сосуда подается избыточное давление Р1. В зауженную часть сосуда подается пониженное давление Р2. Внутренняя полость сосуда заполняется жидкостью с большой плотностью (обычно ртутью). При подаче избыточного давления в расширенную часть сосуда датчика уровень жидкости в этой части пропорционально разности давлений (Р1 – Р2) понижается и одновременно в зауженной части повышается.

Разность уровней h всегда пропорциональна этой разности давлений. Изменение уровня жидкости в расширенной части сосуда регистрируется перемещением движка потенциометра, связанного через шток с поплавком. Таким образом, потенциометр ивэтомдатчикеиграет рольпреобразователя типасигнала.

Трубчатый манометр

Трубчатый манометр, показанный на рис. 31,б, предназначен для замера только абсолютного давления. Состоит этот датчик из изогнутой трубки 1, один конец которой жестко закреплен, а другой свободный конец изогнутой части трубки соединяется с движком потенциометра 2. Во внутреннюю полость трубки подается измеряемое давление Р.

Принцип работы датчика состоит в том, что под действием давления, подаваемого во внутреннюю полость трубки, изогнутая ее часть упруго распрямляется, при этом ее свободный конец по дуге перемещает движок потенциометра на угол φ, изменяя значение выходного сигнала.

Сильфонный датчик давления

Сильфонный датчик давления (рис. 32,а) состоит из герметичного стакана 1, во внутреннюю полость которого помещается гофрированный сильфон 2. Внутренняя полость сильфона соединена систочником повышенного давления Р1, а внутренняя полость стакана соединена, в свою очередь, с источником пониженного давления Р2. Один из торцов сильфона жестко закреплен, а другой свободный торецсоединен с движком потенциометра 3.

50