В.3.3. Измерительное устройство давления мембранного типа
Такие измерительные устройства как правило, используются в газовых системах (см. слайд 9.2).
Слайд 9.2
Упругая мембрана
1 зажата между частями корпуса 2, 3. С
мембраной соединен шток 4. На мембрану
действует давление газа в полостях I
и II.
Одно из давлений, например
,
является управляемой величиной, тогда
другое давление
определяет заданное значение управляемой
величины. При появлении разности этих
давлений мембрана прогибается, вызывая
перемещение штока у.
Выходной величиной устройства является
перемещение у.
Статическую характеристику можно
получить из уравнения равновесия
мембраны.
.,
где
- площадь мембраны
в полостях I
и II.
- сила упругости
мембраны
- давление в полостях
I
и II.
,
где
- жёсткость мембраны.
Полагая
статическую характеристику можно
представить
.
Её график представлен на рис.
Динамические характеристики устройства давления мембранного типа с учётом сил инерции и трения также будут характеристиками. колебательного звена. Однако, эти силы невелики и ими пренебрегают.
Таким
образом, мембранное измерительное
устройство давления является усилительным
звеном с уравнением
и передаточной функцией
,
где
- коэффициент усиления.
Мембраны могут быть металлическими (латунь, бронза, сталь). Однако, такие мембраны при длительной эксплуатации дают усталостные трещины, поэтому часто их заменяют резиновыми мембранами, удерживаемыми в нейтральном положении пружинами (см. слайд 9.3).
Слайд 9.3
В.3.4. Датчики температуры
Существует много разновидностей датчиков температуры. На слайде 9.4 представлены три примера таких датчиков.
Дилатометрический датчик имеет стальную трубку 1 с отверстиями 2. Через отверстия пропускается газовая среда, температуру которой необходимо измерить. На донышке трубки закреплён молибденовый стержень 3. Верхняя часть трубки зафиксирована. Коэффициент линейного температурного расширения стали в три раза больше, чем у молибдена. Поэтому с увеличением температуры верхняя часть молибденового стержня – нож опускается вниз. Координата у ножа является функцией температуры.
Слайд 9.4
Термоманометрический датчик имеет капиляр 4 и соединённый с ним сильфон 5, наполненные термочувствительной жидкостью. К сильфону закреплён стержень 6. При увеличении температуры среды, обдувающей капиляр, сильфон расширяется и конец стержня 6 поднимается вверх. Координата у – есть функция температуры.
Биметаллический датчик изготавливается из двух пластин 7, 8 разных металлов, имеющих сильно отличающиеся коэфффициенты линейного температурного расширения. Пластины свариваются по всей поверхности соприкосновения путём прокатки при высокой температуре. Выходной сигнал биметаллического датчика температуры – перемещение конца у – является следствием различной деформации разнородных пластин при одном и том же их подогреве.
Выходной сигнал таких датчиков – премещение у линейно зависит от входного сигнала – температуры среды.
,
где
- коэффициент усиления.
Датчики температуры характеризуются достаточно медленным прогреванием, т. е. обладают тепловой инерцией. Они могут быть описаны уравнением и передаточной функцией инерционного звена.
,
где
- постоянная
времени;
с – удельная теплоёмкость материала чувствительного элемента датчика;
– масса материала
чувствительного элемента;
- удельный коэффициент теплоотдачи поверхности чувствительного элемента.
- поверхность
чувствительного элемента;
- коэффициент усиления, зависящий от вида металлов (жидкостей), уровня измеряемой температуры, конструкций и размеров датчиков.
Основное преимущество датчиков температуры – простота, основной недостаток - инерционность замера температуры.
В.4.Датчики с электрическим выходным сигналом:
термоэлектрические датчики температуры (термопары)
Термопары используют свойство разнородных проводников создавать электродвижущую силу, когда концы (спаи) их имеют различные температуры. Термопара имеет горячий спай, холодный спай и соединительные проводники. Горячий спай размещается в месте измерения температуры. Он защищается кожухом (см. слайд 9.5).
Слайд 9.5
Диапазон температур,
измеряемых термопарами, составляет
и определяется материалами термоэлектродов.
Входная величина
термопары температура измеряемой
среды, выходная величина –
термоэлектродвижущая сила
,
которая определяется разностью температур
горячего и холодного спаёв:
Статические характеристики различных термопар (см. слайд 9.5) можно считать линейными
.
Для статической
характеристики термопары всегда
.
Величина коэффициента
,
характеризующего чувствительность
термопары, зависит от вида электродов
спая и составляет
.
Термоэлектрические датчики температуры (термопары) могут быть описаны уравнением и передаточной функцией инерционного звена.
,
где
- постоянная времени термопары.
- коэффициент усиления термопары;
- теплоёмкость
термопары;
- масса термопары;
- коэффициент теплоотдачи;
- поверхность термопары.
У существующих термопар в системах управления температурой газов перед турбиной ТРД постоянная времени составляет десятые доли секунды. Сам двигатель по температуре при изменении подачи топлива практически безинерционен. Поэтому быстродействие системы определяется инерционностью термопары, это является основным недостатком термопары.
В.5 Назначение и типы усилительных устройств
Сигналы, получаемые от измерительных устройств, в большинстве случаев имеют недостаточную мощность, чтобы непосредственно привести в движение регулирующий орган. В связи с этим необходимо применение усилителей. В ряде случаев усилители наряду с функцией усиления мощности выполняют функцию преобразования выходного сигнала измерительного устройства в другой вид, более удобный для работы системы автоматического управления.
Необходимо разделять такие понятия, как усиление сигнала по мощности и усиление сигнала по величине. Рассмотрим повышающий трансформатор. Если число витков вторичной обмотки в два раза больше числа витков первичной, то напряжение на вторичной обмотке будет в два раза больше напряжения на первичной обмотке, т.е. трансформатор можно рассматривать как усилитель напряжения, однако он не является усилителем мощности, поскольку из – за неизбежных потерь энергии в обмотках мощность тока во вторичной обмотке всегда меньше мощности тока в первичной. Для усиления сигнала по мощности необходим подвод энергии к усилителю от вспомогательного источника.
К усилителям предъявляются следующие основные требования:
обеспечивать требуемое усиление сигналов;
обладать малой инерционностью;
иметь, по возможности, линейную характеристику;
обладать высокой чувствительностью
быть надёжными при малых массе и габаритах
Усилительные элементы по виду используемой энергии можно разделить на:
гидравлические;
пневматические;
электрические.
В свою очередь, гидравлические и пневматические можно разделить на:
дроссельные;
струйные.
Электрические можно разделить на:
релейные;
электронные;
магнитные;
ионнные;
диэлектрические;
полупроводниковые.
Мы будем рассматривать принципы действия и особенности только некоторых из указанных типов усилителей.
В.6. Дроссельные гидравлические усилительные устройства, их принципы действия, особенности конструкции и характеристики
В.6.1. Дроссельный усилитель типа сопло – заслонка
Схема усилителя представлена на слайде 10.1 и применима для жидкостной и газовой сред.
Слайд 10.1
