9372

41

Труба в поперечном

сечении

Вторичный uвых электронный

прибор

N S

Рис. 2.14. Схематическая конструкция индукционного расходомера

Индукционные расходомеры применяются для измерения расхода жидкостей, электропроводность которых сопоставима с электропроводностью воды. Диаметр трубы при этом не ограничивается.

Конструктивно электроды датчика расхода устанавливаются в диаметральных точках трубы. В другой плоскости под углом 90º на трубе устанавливается магнит и охватывает еѐ. Постоянный магнит может быть применѐн для труб малого сечения, но из-за постепенной потери свойств постоянный магнит малопригоден для практических целей, поэтому в приборах его заменяют электромагнитом, в результате конструкция датчика сильно усложняется. Напряжение на электродах датчика пропорционально магнитной индук-

ции B, диаметру трубы D и скорости потока v:

B D v ,

а поскольку произведение D v определяет расход жидкости, то напряжение uвых пропорционально этому объѐмному расходу (м3/с). Отрезок трубы, где

устанавливается датчик, должен быть изготовлен из магнитопрозрачного материала.

Индукционный датчик расхода совместно с вторичным прибором образуют расходомер. Выходное напряжение расходомера может быть использовано для автоматического управления процессом в той или иной системе ТГВ.

2.2.5. Датчики уровня

Для систем ПСМ к распространѐнным датчикам уровня можно отнести электродные датчики, ѐмкостные датчики и поплавковые с дифференциаль- но-трансформаторным измерительным преобразователем.

42

Принцип действия электродного датчика уровня основан на проводящих свойствах жидкости или сыпучего материала, заполняющих резервуар. Схематическое изображение электродного датчика представлено на рис. 2.15.

Вторичный прибор измерения уровня

LB

LH

Стальная полоса

Электроды

Рис. 2.15. Схематичное изображение электродного датчика

Электроды датчиков и стальная полоса выполнены из нержавеющей стали. Если электрод находится в жидкости, например в воде, то по цепи электрод – вода – стальная полоса течѐт электрический ток. Вторичный прибор измеряет наличие тока и соответственно достижение жидкостью уровня LB или LH; если же электрод оказывается выше уровня жидкости, то цепь тока разрывается и прибор выдаѐт, например световой сигнал или напряжение, характеризующее соответствующее состояние. Это напряжение используется в системе автоматического управления.

Ёмкостный датчик уровня может быть применѐн для измерения уровня жидкости или непроводящего сыпучего материала. Датчик состоит из электрода и гофрированной трубы, охватывающей электрод. Схематическое изображение датчика представлено на рис. 2.16.

Труба

Рис. 2.16. Схематическое изображение ѐмкостного датчика уровня

43

Труба и электрод составляют электрический конденсатор, емкость кото-

рого C пропорциональна уровню L и диэлектрической постоянной :

C L .

Вторичный прибор измеряет ѐмкость датчика, в результате измеряется уровень среды непрерывно с точностью до 1 мм, длина датчика может быть до 2,5 м.

Поплавковый датчик уровня с дифференциально-трансформаторным преобразователем (ДТП) применяется для измерения уровня (его отклонения) в сравнительно небольших пределах ± 20 мм (рис. 2.17).

Для измерения уровня воды в барабане котла применяется несколько похожий метод, но вместо поплавка используют дифманометр с ДТП. Дифманометр подсоединяется с помощью импульсных трубок к уравнительному сосуду, а уравнительный сосуд – к барабану котла. В результате осуществляется надѐжное измерение уровня с точностью ± 1 мм.

ДТП

~ un

uвых

Поплавок

L

L

Рис. 2.17. Схематическое изображение поплавкового датчика уровня с ДТП

2.2.6. Датчик для измерения влажности

Влагочувствительным материалом датчика служит пористая керамика, полученная путѐм легирования хромата магния MgCr2O4 оксидом титана TiO2. В результате электрическое сопротивление R керамики функционально

зависит от влажности M окружающей среды:

R Ke M ,

где K и – коэффициенты пропорциональности, учитывающие размеры и свойства керамики.

44

Статическая характеристика датчика представлена на рис. 2.18. Конструкция датчика влажности представлена на рис. 2.19.

R, Ом

107

106

105

104

103

0 50 100 M, %

Рис. 2.18. Статическая характеристика датчика влажности

Пористая керамика

Медный провод

Металлизированная

поверхность

Рис. 2.19. Схематическая конструкция датчика влажности

В процессе производства датчика на торцевые поверхности керамической заготовки наносится в вакууме слой металла (медь или алюминий), к этому слою привариваются с торцов медные проводники для присоединения датчика в измерительную схему вторичного электронного прибора.

2.3. Задающие устройства и элементы сравнения

Задающим устройством (задатчиком) устанавливается заданное значе-

ние регулируемой величины или изменение этой величины по определѐнной программе.

В электрических регуляторах в качестве задающих устройств применяются, например потенциометры, делители напряжения на постоянных резисторах. Задатчик может иметь линейную или круговую шкалу с перемещающей или вращающей рукояткой или клавишный переключатель. В программных регуляторах задающее устройство выполняется, например в виде профильного диска (копира). Если применяется управляющая вычислительная техника, то задание записывается на магнитном диске или в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).

45

Впневматических и гидравлических регуляторах в качестве задающих устройств применяются, например регулировочные винты со стрелкой и шкалой: при вращении винта меняется, например сила сжатия пружины или усилие на мембрану, изменяется сечение игольчатого клапана.

Вэлементе сравнения в соответствии с функциональной схемой САР происходит сравнение сигнала задания и сигнала, пропорционального текущему значению регулируемой величины. Результат сравнения – получение сигнала, пропорционального отклонению регулируемой величины. В электрических регуляторах в качестве элементов сравнения применяют, например сумматоры напряжения на резисторах, мостовые измерительные схемы.

Впневматических регуляторах функцию элемента сравнения выполняет, например узел «сопло – заслонка», мембранный блок, в гидравлических – золотниковые устройства и другие.

2.4. Усилители

Первичные преобразователи (датчики) автоматических систем контроля, регулирования и управления вырабатывают, как правило, небольшой по величине сигнал. Во многих случаях мощность этого сигнала составляет сотые

– тысячные доли ватта, и еѐ недостаточно для приведения в действие последующих звеньев. Для усиления сигнала первичного преобразователя по мощности в автоматических системах применяют усилители.

Усилители характеризуются коэффициентом усиления по мощности K:

K Pвых , Pвх

где Pвых – мощность выходного сигнала усилителя; Рвх – мощность сигнала на входе усилителя.

Вусилителях для усиления входного сигнала и получения мощности выходного сигнала, достаточной для приведения в действие последующих звеньев, затрачивается энергия извне.

По виду потребляемой энергии усилители могут быть электрическими, пневматическими и гидравлическими. В зависимости от статической характеристики различают усилители релейного и непрерывного действия. К усилителям релейного действия относятся электрические, пневматические и гидравлические реле. В этих усилителях выходная величина измеряется скачком при достижении входной величины порога срабатывания реле.

Влинейных усилителях непрерывного действия наблюдается пропорциональная зависимость между изменением входной и выходной величины.

Усилители, потребляющие электрическую энергию, могут быть магнитными, электронными, электромагнитными.

Электронные усилители выполнены с применением полупроводниковых приборов (транзисторов, интегральных микросхем) и отличаются высокой надѐжностью, малыми габаритами. Большим достоинством электронных

46

усилителей является высокая чувствительность на входе, поэтому эти усилители применяются с датчиками, имеющими очень малую мощность сигнала.

Пневматические усилители в системах автоматики для усиления сигнала по мощности в зависимости от принципа действия подразделяются на поршневые, мембранные и струйные.

Гидравлические усилители в зависимости от принципа действия подразделяются на золотниковые, дроссельные и струйные.

2.5. Исполнительные механизмы и регулирующие органы

Исполнительный механизм автоматической системы – это устройство,

приводящее в движение различные регулирующие органы (клапаны, дроссельные заслонки, задвижки, шиберы, краны и др.). Чтобы привести в движение исполнительный механизм, требуются затраты энергии извне. В зависимости от вида потребляемой энергии исполнительные механизмы могут быть электрическими, гидравлическими и пневматическими.

Электрические исполнительные механизмы применяются в комплекте с электрическими и электронными регуляторами. В этих исполнительных механизмах применяют двух- и трѐхфазные асинхронные электродвигатели, тяговые электромагниты.

Схематическая конструкция тягового электромагнита представлена на рис. 2.20.

Пружина

Катушка

u

Рис. 2.20. Схематическая конструкция тягового электромагнита

На катушку электромагнита подаѐтся напряжение питания u. В катушке создаѐтся магнитное поле, пронизывающее сердечник, сердечник намагничивается и втягивается в катушку. При этом через шток и шарнирное звено пе-

47

редаѐтся перемещение регулирующему органу (заслонка, клапан, задвижка) в положение «открыто». Если напряжение питания u отключить, то сердечник под действием собственной массы и пружины опускается вниз и перемещает регулирующий орган в другое положение («закрыто»). Такая конструкция нашла широкое применение в клапанах – отсекателях газовых сетей как устройств автоматики безопасности.

Достоинство исполнительных механизмов с тяговыми электромагнитами – простота конструкций, быстродействие и возможность получения непосредственно линейных перемещений, недостаток – значительные габариты при больших усилиях на штоке, низкая точность перемещений, удары и рывки при работе, наличие релейной статической характеристики, не позволяющей получить пропорциональный закон регулирования.

Исполнительные механизмы, выполненные на основе применения электродвигателей с редукторами, могут быть однооборотными или многооборотными. В однооборотных исполнительных механизмах угол поворота выходного вала редуктора не превышает 360º. В многооборотных исполнительных механизмах выходной вал делает несколько оборотов или вращается непрерывно (рис. 2.21).

К

регулирующем

Статор эл. двигателя

Ротор

б) L1 NРедуктор

Статорные

обмотки

C

Рис. 2.21. Схематическая конструкция исполнительного механизма с электродвигателем и редуктором:

48

а – с трѐхфазным асинхронным электродвигателем; б – с однофазным конденсаторным электродвигателем

Втрѐхфазных электродвигателях питающее напряжение подаѐтся на зажимы L1, L2, L3 (три фазы), в однофазных – на L1, N (фаза и нейтраль).

Многооборотные исполнительные механизмы широко применяются при автоматизации различных процессов в системах ПСМ. Многооборотный исполнительный механизм может сообщать как вращательное, так и поступательное движение, а наличие реостата обратной связи даѐт возможность реализовать различные законы регулирования. В некоторых многооборотных механизмах отсутствует реостат обратной связи, поэтому этот механизм применяют в схемах двухпозиционного регулирования. Однооборотный исполнительный механизм применяется для перемещения, например задвижек, клапанов, шиберов, кранов. Наличие реостата обратной связи в нѐм позволяет осуществлять различные законы регулирования. К отмеченным достоинствам электрических исполнительных механизмов можно добавить доступность энергии в стационарных условиях. Недостатки исполнительных механизмов на основе электродвигателей – значительные габариты при больших усилиях на выходном валу редуктора, необходимость в большинстве случаев преобразования вращательного движения в поступательное.

При автоматизации систем ПСМ широко применяют пневматические исполнительные механизмы, обладающие малой инерционностью и позволяющие получить большие перестановочные усилия. Эти механизмы применяют в основном для передачи поступательных движений. По принципу действия их можно разделить на две группы: поршневые и мембранные.

Поршневые исполнительные механизмы могут быть одностороннего и двустороннего действия. В конструкцию поршневого исполнительного механизма входят цилиндр, шток с поршнем, система уплотняющих устройств и распределительное устройство. Достоинство пневматических поршневых исполнительных механизмов – простота конструкции, возможность получения больших перестановочных усилий, недостаток – большие габариты и значительные рывки при работе механизма.

Всистемах ПСМ широкое применение нашли мембранные исполнительные механизмы (рис. 2.22).

Мембранные исполнительные механизмы имеют мембрану, соединѐнную со штоком, посредством которого движение сообщается клапану, шиберу, задвижке или другому механизму. При подаче сжатого воздуха в надмембранное пространство исполнительного механизма мембрана прогибается, перемещая шток. Между давлением воздуха над мембраной и перемещением штока существует пропорциональная зависимость, позволяющая применять эти исполнительные механизмы в пропорциональных регуляторах. Недостаток пневматических исполнительных механизмов заключается в том, что для их работы необходим источник сжатого воздуха (компрессор) с фильтром. Достоинство пневматических исполнительных механизмов – возможность использования во взрывоопасных средах, например в газовых сетях.

Рис. 2.22. Схематическая конструкция мембранного исполнительного механизма

Гидравлические исполнительные механизмы (рис. 2.23) предназначены для преобразования давления жидкости (масла, воды, глицерина и др.), поступающей от гидравлического насоса, в механическое перемещение, например поршня со штоком. Гидравлические исполнительные механизмы позволяют получить при небольших габаритах большие перестановочные усилия на штоке, одновременно достигается высокая точность линейных перемещений.

Поршень

Шток

Цилиндр

Шарнирное

звено

Рис. 2.23. Схематическая конструкция поршневого гидравлического исполнительного механизма

50

Недостаток гидравлических исполнительных механизмов – высокие требования к чистоте обработки сопрягаемых деталей и необходимость в источнике сжатой жидкости.

Регулирующие органы предназначены для непосредственного воздействия на объект регулирования, чтобы устранить появившееся отклонение регулируемой величины от заданного значения. Регулирующие органы изменяют приток вещества или энергии и выполняются, как правило, в виде клапанов, задвижек, шиберов, заслонок. В системах автоматики регулирующие органы часто составляют с исполнительным механизмом единое целое. Главное требование к конструкции регулирующих органов – линейность их статической характеристики.

2.6. Автоматические электронные показывающие, регистрирующие и регулирующие приборы

Для целей измерения технологических параметров, а в отдельных случаях и для их регулирования, применяется большая группа показывающих, регистрирующих и регулирующих приборов – электронные вторичные приборы, входящие в состав Государственной системы приборов (ГСП). В соответствии с ГСП приняты блочный и модульный принцип построения приборов, полная взаимозаменяемость на основе высокой степени унификации, стандартизация габаритов.

2.6.1. Классификация автоматических электронных вторичных приборов

В настоящее время приборостроительная промышленность выпускает в соответствии с ГСП несколько групп электронных вторичных приборов. Для автоматизации систем ПСМ применяют приборы групп КС-1, КС-2, КС-3, КС-4, КВ-1 и КП-1. В группу приборов входят электронные потенциометры, мосты и приборы с индукционными датчиками (табл. 2.1).

Т а б л и ц а 2.1

Типы электронных вторичных приборов системы ГСП