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

Разностный расходомер

Разностный расходомер представлен на рис. 33 и состоит из трубы 1, по внутренней полости которой перемещается измеряемый агент; конфузора 2 (зауженный участок трубы), который сужает поток измеряемого агента; дифференциального манометра 3 (датчика давления).

Рис. 33. Схема разностного датчика расхода

Принцип работы заключается в том, что при прохождении потока измеряемого агента через конфузор происходит его сужение, в результате чего на его входе и выходе появляется разность давлений Р1 и Р2, пропорциональная расходу Q этого агента:

где Р1 – давление на входе потока; Р2 – давление на выходе потока;

K – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств конфузора.

Турбинный расходомер

Турбинный расходомер (рис. 34,а) состоит из трубы 1, по внутренней полости которой перемещается измеряемый агент; турбины 2 и тахогенератора 3.

52

При прохождении измеряемого потока через внутреннюю полость трубы линейная скорость перемещения этого потока превращается в угловую скорость вращения турбины, которая посажена на одном валу с тахогенератором. Расход потока измеряемого агента, проходящего через трубу,

где S – площадь поперечного сечения трубы; V – линейная скорость потока;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от сопротивления трубы.

Рис. 34. Схемы турбинного (а), импульсного (б), вибрационного (в) датчиков расхода

Линейная скорость потока связана с угловой скоростью турбины следующим выражением:

где k1 – коэффициент пропорциональности между линейной скоростью и угловой, зависящий от параметров турбины;

ω– угловая скорость вращения турбины.

Сучетом уравнения (11) величина расхода потока определяется зависимостью

Вместо тахогенератора в этом датчике может быть использовано зубчатое колесо 3 (рис. 34,б), связанное с турбиной 2, которое вращается совместно с этой турбиной. При вращении

53

зубья этого колеса, проходя мимо сердечника магнитоиндукционного датчика 4, формируют импульсы, частота которых пропорциональна расходу агента.

Вибрационные расходомеры

Вибрационный расходомер (рис. 34,в) состоит из жестко закрепленной трубки 1 с утолщенным свободным концом, во внутренней полости которой циркулирует измеряемый агент, генератора 2 поперечных колебаний трубки и приемника 3 этих колебаний.

Принцип работы этого датчика основан на измерении разности частот поперечных колебаний трубки.

При отсутствии потока измеряемого агента наибольшая амплитуда колебаний свободного конца этой трубки наблюдается тогда, когда их частота приближается к собственной частоте колебательной системы fc, которая определяется по формуле

где fc – собственная частота колебательной системы; с – поперечная жесткость трубки;

m – масса свободного утолщенного конца трубки.

При наличии потока агента во внутренней полости трубки его масса участвует в совместном поперечном колебании системы. Чем больше скорость (расход) этого потока, тем больше масса агента, участвующего в совместных поперечных колебаниях трубки. Поэтому с увеличением расхода агента частота поперечных колебаний этой системы уменьшается в соответствии с формулой

где ma – масса агента, участвующего в колебании.

54

Приемник колебаний 3 замеряет разность частот (fc – f). Окончательный расход измеряемого агента подсчитывается по формуле

4.2. Релейные элементы автоматики

Реле – это элемент автоматики, предназначенный для управления силовыми цепями или силовыми магистралями исполнительных устройств.

Релейным элементом называется такой элемент автоматики, выходной сигнал которого при непрерывном изменении входного сигнала переходит скачкообразно с одного уровня на другой.

Рассмотрим характер изменения выходного сигнала у для электронного реле при непрерывном изменении величины его входного сигнала х (рис. 35). При изменении величины входного сигнала от нуля до значения Хс (срабатывания) выходной сигнал у остается на нижнем (нулевом) уровне. При достижении этим сигналом значения Хс выходной сигнал скачкообразно переходит на высокий уровень и остается постоянным на этом уровне при неограниченном увеличении величины входного сигнала.

Рис. 35. Выходная характеристика релейного элемента

При обратном уменьшении значения входного сигнала выходной сигнал будет находиться на верхнем уровне даже тогда, когда его значение сравняется с величиной Хс. На нижний уро-

55

вень выходной сигнал перейдет только тогда, когда входной сигнал достигнет значения Хо (отпускания). Таким образом, в релейной характеристике наблюдается зона неоднозначности, т.е. зона, в которой выходной параметр может занимать одно из двух возможных положений (верхнее или нижнее).

В зависимости от вида энергии силовых магистралей и вида энергии сигнала управления реле бывают электромагнитными, электрогидравлическими, пневматическими и механическими.

4.2.1. Электромагнитные реле

Электромагнитные реле бывают двух типов: постоянного тока и переменного тока.

Электромагнитные реле постоянного тока

Реле постоянного тока бывают нейтральные и поляризованные.

Нейтральное реле. Нейтральным электромагнитное реле называют потому, что принцип его работы не зависит от полярности сигнала управления постоянного тока.

Нейтральное электромагнитное реле (рис. 36,а) состоит из сердечника 1, выполненного из магнитного материала; рабочей катушки управления 2; якоря 3; возвратной пружины 4 и группы контактов управления 5.

При подаче сигнала управления любой полярности на катушку 2 эта катушка создает магнитный поток, который концентрируется в сердечнике 1. Магнитный поток, концентрированный в сердечнике, создает магнитную силу притяжения. Этой силой якорь, преодолевая сопротивление пружины 4, притягивается к сердечнику, уменьшая зазор между ними до нуля. В результате притяжения якоря происходит переключение контактов управления: одни контакты замыкаются, другие размыкаются. Те контакты, которые замыкаются при срабатывании реле, называются нормально разомкнутыми, и, наоборот, контакты, которые при срабатывании реле размыкаются, называются нормально замкнутыми. При снятии сигнала управления маг-

56

нитный поток в сердечнике быстро исчезает, поэтому исчезает и сила притяжения к нему якоря, в результате чего возвратной пружиной якорь возвращается в исходное положение. При этом нормально замкнутые контакты замыкаются, а нормально разомкнутые – размыкаются.

Рис. 36. Схемы нейтрального (а) и поляризованного (б) электромагнитного реле и их характеристика (в)

Нагрузочная характеристика нейтрального электромагнитного реле представлена на рис. 36,в. На якорь этого реле действуют две силы: нелинейная сила магнитного притяжения F и линейная сила упругости возвратной пружины, пропорциональная величине перемещения якоря ∆. Для нормальной работы реле работа, совершаемая магнитной силой притяжения якоря, должна быть больше работы упругой силы возвратной пружины. С другой стороны, уменьшение работы возвратной пружины приводит к процессу затягивания по времени размыкания контактов управления, что вызывает усиление их искрения, а следовательно, увеличение их износа.

Поляризованное реле (рис. 36,б). В отличие от нейтрального реле, работа поляризованного реле зависит от полярности сигнала управления постоянного тока. Поляризованное реле используется как переключатель и состоит из Ш-образного магнитопровода 2, на периферийных стержнях которого установлены полюса N и S постоянного магнита 3. На среднем стержне магнитопровода помещается катушка управления 1.

57

К торцевой части среднего стержня магнитопровода шарнирно крепится якорь 5, который управляет положением силовых контактов 4.

При отсутствии сигнала управления якорь реле находится

внейтральном среднем положении и на равном удалении от полюсов постоянного магнита, которые одинаково действуют на этот якорь. При этом силовые контакты находятся в разомкнутом состоянии.

При подаче сигнала управления определенной полярности

вкатушке управления возбуждается постоянный магнитный поток, который складывается алгебраически с магнитным потоком постоянных магнитов. При этом один из полюсов постоянного магнита усиливается по магнитному потоку за счет их согласованности, а другой за счет встречности этих потоков ослабляется.

Кусиленному полюсу постоянного магнита притягивается якорь реле, при этом замыкается пара силовых контактов.

При смене полярности сигнала управления меняется направление магнитного потока катушки управления и соответственно меняется направление этого потока в магнитопроводе. При этом усиливается магнитный поток противоположного полюса постоянного магнита и ослабляется исходный, вследствие чего якорь притягивается к противоположному полюсу постоянного магнита и происходит переключение силовых контактов.

Таким образом, поляризованное реле работает как переключатель. Направление включения его зависит от полярности сигнала управления. Нагрузочная характеристика этого реле такая же, как и нейтрального.

Электромагнитные реле переменного тока

Несмотря на то, что работа реле постоянного тока (см. рис. 36,а) не зависит от полярности сигнала управления, при подаче в его катушку сигнала управления переменного тока на якорь этого реле будет действовать переменная по величине магнитная сила притяжения. В момент смены полярности сигнала

58

управления (кривая 1 на рис. 37,б) сила притяжения якоря к сердечнику будет равна нулю. В результате этого пружина возврата будет на это время размыкать силовые контакты, что приведет их к постоянной вибрации и быстрому разрушению. Для того чтобы избежать режима вибрации контактов, необходимо удержать якорь этого реле в замкнутом состоянии на момент перемены полярности сигнала управления, что достигается дополнительным вторичным магнитным потоком, смещенным по фазе от основного магнитного потока (кривая 2 на рис. 37,б). Этот поток создает магнитную силу, удерживающую якорь в замкнутом состоянии в момент смены полярности сигнала управления.

Рис. 37. Схема электромагнитного реле переменного тока (а) и его характеристика (б)

Дополнительный магнитный поток в сердечнике 1 нейтрального реле (рис. 37,а) создается за счет вихревых токов, которые наводятся основным магнитным потоком в короткозамкнутом витке 4. Так как угол φ фазового сдвига между основным и дополнительным магнитными потоками равен 90º, то в момент смены полярности сигнала управления дополнительный магнитный поток будет удерживать якорь в замкнутом состоянии.

4.2.2.Пневматические реле

Втом случае, когда природа сигнала управления и сигнала управляющего воздействия на объект представлена энергией сжатого воздуха или иного газа, релейным элементом в системах управления может быть пневматическое реле (рис. 38,а).

59

Пневматическое реле состоит из мембранной коробки 1, между двумя половинами которой помещается мембрана 2. Нижняя полость этой коробки связана с источником сигнала управления Ру, а в верхней его половине помещается пружина 3. Мембрана 2 через шток жестко соединена с клапаном 4, который пружиной 3 прижимается к своему седлу, перекрывая поступление сжатого воздуха в торцевую полость золотниковой коробки 5. Во внутренней полости этой коробки помещен золотник 6, который пружиной 7 удерживается в верхнем положении, перекрывая при этом свободный проход через золотник внешнего давления сжатого воздуха Ро.

Рис. 38. Схема пневматического реле (а) и его характеристика (б)

При подаче сигнала управления Ру в нижнюю полость мембранной коробки 1 мембрана 2 прогибается, сжимая пружину 3, при этом шток перемещает клапан 4 вверх. Через образовавшийся зазор ∆ сжатый воздух под давлением Ро устремляется в торцевую полость золотниковой коробки 5, перемещая золотник 6 вниз. При таком перемещении сжимается пружина 7, а кольцевая проточка золотника соединяет входное отверстие золотниковой коробки с ее выходным отверстием, при этом на выходе пневматического реле скачкообразно появляется выходной сигнал Ро.

60