3. Передающие измерительные преобразователи и системы дистанционной передачи измерительной информации

2.1. Основные понятия

Дистанционной системой передачи информации называется устройство, передающее информацию на расстояние (дистан­цию) в пределах производственного комплекса. Информацией в системах управления и регулирования производственными про­цессами называют сведения о характеристиках и состоянии про­цессов, выраженные посредством сигналов и символов. Для того, чтобы сигнал от объекта управления или контроля стал доступен восприятию оператора, его передают на контрольно-измерительные приборы с помощью дистанционных систем, состоящих из следующих основных элементов:

преобразователя, находящегося под воздействием измеряе­мой величины;

линий связи, по которым передаются сигналы измерительной информации, вырабатываемые преобразователем;

измерительного устройства, предназначенного для получения сигнала измерительной информации в форме, удобной для восприятия оператором или для дальнейшего использования.

Для изменения физической природы сигналов, их усиления, модуляции, кодирования в систему дистанционной передачи могут быть включены дополнительные промежуточные преобразователи.

2.2. Преобразователи сигналов дистанционных систем передачи

информации

Преобразователи систем дистанционной передачи информации могут быть с естественными и унифицированными сигналами.

2.2.1. Преобразователи с естественными сигналами.

Под естествен­ным выходным сигналом понимается такая физическая вели­чина, в которую наиболее рационально и просто преобразуется величина, измеряемая в первичном измерительном преобразо­вателе, например: электрическая — напряжение, ток, сопротив­ление, частота или неэлектрическая — давление, перемещение, усилие, угол поворота. В качестве примера системы и преобра­зователя с естественным сигналом может служить термоэлек­трический термометр в комплекте с милливольтметром, схема прямого измерения термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС) которого приведена на рис. 2.1. Схема включает термоэлектри­ческий преобразователь (Т), термоэлектродные (компенсаци­онные) провода (ТП), термостатирующее устройство (ТС), со­единительные провода(СП), уравнительное сопро­тивление Rу, добавочное сопротивление R_Д и милли­вольтметр ( ).При нагре­вании места соединения (го­рячего спая ГС) электродов в нем возникает термо-ЭДС.

Рис.2.1. Схема прямого измерения термо-ЭДС

Величина ее при постоянной температуре холодного спая (t_O) однозначно зависит от температуры нагрева, являющейся температурой контролируе­мой среды. Здесь термоэлектрический преобразователь (Т) вы­полняет роль первичного преобразователя, который преобразует температуру в электрический сигнал (термо-ЭДС), удобный для передачи на вторичный прибор (мВ), установленный па значи­тельном расстоянии от объекта измерения.

2.2.2. Преобразователи с унифицированными сигналами.

Эти при­боры позволяют преобразовывать сигналы, получаемые в ре­зультате непрерывного измерения контролируемых параметров, в пропорциональные сигналы определенной величины постоян­ного тока, переменного тока, давления сжатого воздуха, назы­ваемые унифицированным сигналом. Применение преобразователей с унифицированными сигналами позволяет сократить число видов вторичных приборов, обеспечить их вза­имозаменяемость и расширить применение машин централизо­ванного контроля.

Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили электросиловые, частотно-силовые и пневматические унифицированные преобразователи, использующие принцип силовой компенсации.

Унифицированные преобразова­тели обычно состоят из двух основных элементов: измеритель­ного блока, преобразующего значение измеряемого параметра в механическое усилие, и силового устройства, преобразующего это усилие в стандартный выходной сигнал.

Унифицированный электросиловой преобразователь. Действие преобразователя основано па электриче­ской силовой компенсации усилий. В измерительном блоке (рис. 2.2) измеряемый параметр воздействует на чувствитель­ный элемент (сильфон, поплавок) и преобразуется в механиче­ское усилие Р. Если такое усилие изменяется, то происходит перемещение рычажной системы 1 и связанного с ней управ­л яющего флажка 2 индикатора рассогласования 3. Это переме­щение индикатора преобразуется в управляющий сигнал (на­пряжение переменного тока), поступающий на вход усилителя 4. Выходной сигнал постоянного тока с усилителя направляется в линию дистанционной передачи и обмотку рамки 5 магнитоэлектрического силового преобразователя 6, где преобразуется в пропорциональное усилие обратной связи Р_ОС, которое через рычажную систему 1 уравновешивает усилие Р. Мерой измеряе­мого усилия Р_ОС является текущее значение величины постоян­ного тока (величины в ыходного сигнала преобразователя), соз­дающего уравновешивающее усилие.

Рис.2.2. Схема унифицированного Рис.2.3. Схема унифицированного

электросилового преобразователя частотно-силового преобразователя

Выходной унифициро­ванный сигнал постоянного тока изменяется в пределах 0—100 и 0—20 мА. Сигнал 0—5 мА обеспечивается применением до­полнительного преобразователя. Вторичными приборами, под­ключаемыми к преобразователю, являются миллиамперметры: показывающие, самопишущие, сигнализирующие, проградуированные в соответствующих единицах.

Унифицированный частотно-силовой преоб­разователь. Действие преобразователя основано на преоб­разовании механического усилия в частоту собственных попереч­ных колебаний струнного элемента. Преобразователь состоит из изолированной струны 2 (рис. 2.3), расположенной между по­люсными наконечниками 1 постоянного магнита. Струна одним концом жестко закреплена, а другим связана с рычагом 3, ус­тановленным в опоре 5 и соединенным с пружиной 4. Измеряе­мый параметр в измерительном блоке преобразуется в механи­ческое усилие Р, под действием которого происходит незначительная деформация упругого рычага 3 и струны 2. При этом меняется частота собственных поперечных колебаний струны. В результате взаимодействия протекающего по струне пере­менного тока с магнитным полем колебания струны преобра­зуются в изменение частоты электрического тока. Мерой изме­ряемого усилия Р является текущее значение частоты перемен­ного тока выходного сигнала усилителя 6.

Пределы измерения выходного сигнала 1500—2500 Гц. Точное начальное значение сигнала устанавливается пружиной 4. Сигнал может переда­ваться на расстояние до 10 км. Частотно-силовые преобразователи применяются для измерения (при малых перемещениях) массы, давления, разрежения, уровня, температуры.

Унифицированный пневматический преобра­зователь. Действие преобразователя основано на пневмати­ческой силовой компенсации усилий. Чувствительный элемент (например, мембрана манометра) измерительного блока (рис. 2.4) преобразует измеряемый параметр в пропорциональ­ное усилие Р, под действием которого происходит незначитель­ное перемещение рычажной системы 1 и связанной с ней за­слонки 2. Сжатый воздух непрерывно поступает в сопло 3 и выходит в атмосферу. Перемещение заслонки относительно сопла вызывает изменение давления пневматического сигнала на входе усилителя 4. Выходной сигнал усилителя направляется в линию дистанционной передачи и одновременно в линию об­ратной связи пневматического преобразователя 5, где преобра­зуется в пропорциональное усилие обратной связи Р_ОС уравно­вешивающее через рычажную систему 1 измеряемое усилие Р. Таким образом, давление сигнала сжатого воздуха на выходе усилителя является мерой контроля технологического пара­метра. Пределы измерения выходного сигнала 19,6-98 кПа. Максимальное расстояние передачи пневматического сигнала 300 м.

Вторичными приборами, измеряющими унифицированный пневматический сигнал, могут быть различные показывающие, самопишущие, сигнализирующие приборы и установки центра­лизованного контроля и регулирования.

Рис.2.4. Схема унифицированного Рис.2.5. Схема электропневматического

пневматического преобразователя преобразователя

Преобразователи для связи между ветвями систем передачи информации. В технике автоматизации часто приходится создавать комбинированные системы, использующие энергию различных видов. В связи с этим необходимо наличие преобразователей сигналов одного рода энергии в сигналы другого рода, например электропневма­тических, пневмоэлектрических, электрогидравлических и др. Примером может являться электропневматический преобразователь, в котором происходят преобразования токового сигнала в унифицированное дав­ление. Схема одного из них приведена на рис. 2.5. Входной сигнал подается из первичного измерительного преобразователя 1 в катушку 10 магнитного электрического преобразователя, соединенную с ры­чагом 2. При изменении тока в катушке за счет его взаимодей­ствия с магнитным полем постоянного магнита 9 рычаг 2, соеди­ненный с пружиной 3, будет перемещаться с заслонкой 4 отно­сительно сопла 5. В результате изменится давление сжатого воздуха на выходе пневматического усилителя 6. Усиленный пневматический сигнал направляется в линию дистанционной передачи 7 и одновременно в сильфон обратной связи 8, где пре­образуется в пропорциональное усилие обратной связи Р_ОС , ко­торое противодействует дальнейшему перемещению заслонки до момента полного уравновешивания рычажной системы 2. Вследствие этого давление сжатого воздуха, преобразованное в усилие Р_ОС , становится пропорциональным унифицированным пневматическим сигналом.

Пневмоэлектрический преобразователь. В ка­честве примера такого прибора может служить преобразователь типа ПЭ-55М, преобразующий пневматический сигнал давления сжатого воздуха 19,6—98 кПа в пропорциональный электриче­ский сигнал постоянного тока 0—5 мА. Сила, возникающая на сильфоне от давления сжатого воздуха входного сигнала, урав­новешивается воздействием деформации сильфона и измери­тельной пружины.

Перемещение дна сильфона преобразуется в угол поворота управляющей оси универсального электронного механического преобразователя, предназначенного для непрерывного бескон­тактного преобразования угла поворота в пропорциональный электрический сигнал постоянного тока.

2.3. Виды систем дистанционной передачи информации

Системы дистанционной передачи информации по виду энер­гии можно подразделить на пневматические и электрические. Электрические системы в свою очередь подразделяются на дифференциально-трансформаторные, ферродинамические, сельсинные и омические.