§ 21. Преобразование сигналов и системы передачи показаний на расстояние

При технологических измерениях часто бывает необходимо передать сигнал информации о состоянии контролируемого пара­метра для последующей обработки на вторичный прибор, удален­ный от объекта контроля на некоторое расстояние. Передачу сиг­налов измерительной информации на расстояние осуществляют специальные системы дистанционной передачи, состоящие из сле­дующих основных элементов: 1) передающего преобразователя, находящегося под действием измеряемой величины; 2) линии связи, которая передает сигналы измерительной информации, вырабаты­ваемые передающими преобразователями; 3) измерительного уст­ройства, предназначенного для получения сигнала измерительной информации в форме, удобной для восприятия наблюдателем или дальнейшего использования.

Системы дистанционной передачи и передающие преобразова­тели могут быть подразделены на две большие группы: системы с унифицированными сигналами и системы с неунифицированными, естественными сигналами.

В системах дистанционной передачи с унифицированными сиг­налами сигнал измерительной информации, подаваемый в линию связи, приводится передающим преобразователем к виду и уровню, отвечающим требованиям ГСП. Для преобразования унифициро­ванного сигнала в показание эти системы передачи содержат в ка­честве вторичных приборов различные измерительные устройства (показывающие, самопишущие и пр.).

Наиболее распространены в таких системах унифицированные первичные преобразователи, работающие на принципе компенса­ции усилия и перемещения.

Приборы со встроенными электросиловыми преобразователями. Они состоят из двух элементов: измерительного блока и электро­силового преобразователя (рис. 38, а). В измерительном блоке из­меряемый параметр (в данном случае давление) преобразуется во

входное усилие Р. В электросиловом преобразователе усилие Р преобразуется в унифицированный сигнал постоянного тока, про­порциональный текущему значению измеряемого параметра. Электросиловой преобразователь состоит из передаточных ме­ханизмов 1, 2, 3, блока обратной связи 8, индикатора рассогласо­вания 4 и усилителя УС. Принцип действия преобразователя осно­ван на электросиловой компенсации. Если текущее значение из­меряемого параметра не меняется, то усилие Р, действующее на передаточный механизм, компенсируется усилием Р_о. _с со стороны

Рис. 38. Дистанционная передача показаний:

а _ система передачи с электросиловым преобразователем; б — схема подключения вто­ричного прибора; в — система с пневмосиловым преобразователем

блока обратной связи. Флажок 5 индикатора рассогласования 4 будет неподвижен, напряжение рассогласования U, поданное на вход усилителя УС, не изменится. Постоянный ток, текущий от усилителя УС к катушке 7 блока обратной связи и ко вторичному прибору, будет постоянным и пропорциональным текущему значе­нию измеряемого параметра.

При изменении текущего значения измеряемого параметра из­меняется усилие Р. Так как компенсирующее усилие обратной связи Р_о._с не изменилось, это приводит к перемещению рычагов 1 и 3, флажка 5 индикатора рассогласования 4. Перемещение флажка 5 вызывает изменение напряжения рассогласования на входе усилителя УС, что в свою очередь приводит к изменению выходного сигнала постоянного тока и тока, протекающего через катушку 7. Изменение тока катушки 7 вызывает изменение компен­сирующего усилия Р_о.с вследствие изменения силы взаимодейст­вия между магнитным полем катушки и плунжером 6. Флажок 5 будет перемещаться до тех пор, пока усилие Р_{о с} обратной связи не уравновесит входное усилие Р. Так как входное усилие зависит от значения измеряемого параметра, то значение выходного сигнала постоянного тока будет пропорционально измеряемому параметру.

Все вторичные приборы, подключаемые к такому преобразова­телю через линию связи, можно разбить на две группы: работаю­щие от унифицированного сигнала постоянного тока (милливольт­метры и др.) и работающие от сигнала постоянного напряжения (милливольтметры, потенциометры). Миллиамперметры подклю­чают в разрыв электрической цепи (рис. 38, б) двухпроводной ли­нии. Милливольтметры подключаются параллельно нагрузочному сопротивлению, включенному в электрическую цепь двухпроводной линии.

Пневмосиловые преобразователи. Принцип их действия основан на использовании пневматической силовой компенсации. На рис. 38, в приведена схема такого устройства. Измеряемая вели­чина воздействует на чувствительный элемент устройства и преоб­разуется в усилие Р. Это усилие через рычажные системы 1 и 4 уравновешивается усилием Р_о. _с, создаваемым сильфоном блока обратной связи 5. При изменении измеряемой величины, а следо­вательно, и усилия Р происходит перемещение рычага / и связан­ной с ним заслонки 2 индикатора рассогласования 3 типа «сопло-заслонка», который преобразует это перемещение в сигнал измери­тельной информации в виде давления сжатого воздуха. Сигнал через пневмоусилитель УС поступает в линию связи и одновременно в сильфон обратной связи 5, где формируется в пропорциональное усилие Р_о. _с, уравновешивающее посредством рычагов 1 и 4 вход­ное усилие Р. Таким образом, мерой измеряемого усилия Р яв­ляется величина давления воздуха на выходе преобразователя, которое создает уравновешивающее усилие обратной связи Р_о. с. Пределы изменения выходного сигнала такого преобразователя 20—100 кПа.

В качестве вторичных приборов могут быть использованы лю­бые устройства для измерения давления с соответствующим диапа­зоном измерения.

Ферродинамические преобразователи. Эти приборы нашли ши­рокое распространение как передающие преобразователи в систе­мах передачи показаний. Они предназначены для преобразования угловых перемещений в пропорциональные унифицированные элек­трические сигналы переменного тока. Ферродинамический преоб­разователь (рис. 39, а) имеет три узла: магнитную систему 1, 2, 3, 6 и 7, катушку 8 и рамку 5 с обмоткой. Рамка 5 соединена с чувст­вительным элементом первичного прибора. Она может поворачи­ваться в подпятниках, укрепленных в сердечнике 3. Концы обмотки рамки соединены с клеммами через спиральные пружины. Угол поворота а рамки по отношению к нейтрали N—N зависит от зна­чения контролируемого параметра. Магнитная система преобразо­вателя образована магнитопроводом 1, башмаком 2, сердечником 3 и плунжером 7. В одном из окон магнитопровода размещена катушка 8 с обмоткой возбуждения W_В и обмоткой смещения W_см.

При питании обмотки возбуждения переменным током в магни-топроводе возникает магнитный поток, индуцирующий ЭДС в об­мотке рамки и в обмотке смещения. Величина магнитного потока

зависит от зазора между башмаком 2 и подвижным плунжером 7. Изменением этого зазора (перемещением плунжера 7) можно изме­нять величину магнитного потока, а следовательно, и ЭДС рамки и обмотки смещения.

Рис. 39. Система дистанционной передачи показаний:

а — ферродинамический преобразователь; б — его характеристики; в — система передачи

показаний

В воздушном зазоре 4, где расположена рамка, создается ра­диальный магнитный поток. Когда плоскость рамки совпадает с ли­нией нейтрального положения N—N, магнитный поток не пере­секает рамку, и ЭДС, индуцируемая в ней, равна нулю. Когда рамка отклоняется от линии N—N, в ней индуцируется ЭДС, прямо пропорциональная углу ее поворота. Фаза этой ЭДС меняется на 180° при повороте рамки в ту или иную сторону от нейтрали. На рис. 39, б приведены характеристики, показывающие зависимость значения ЭДС в рамке от угла поворота рамки. Подключая концы обмотки смещения к обмотке рамки, можно получить нулевое зна­чение суммарной ЭДС при крайнем положении рамки.

Принцип действия ферродинамической системы передачи по­казаний основан на компенсации перемещения. Ферродинамиче-ская система (рис. 39, в) состоит из передающего преобразователя ПФ1 первичного прибора, линии связи и элементов вторичного прибора: преобразователя ПФ2, усилителя УС и реверсивного двигателя РД. Рамка передающего преобразователя ПФ1 меха­нически связана с чувствительным элементом первичного прибора, и следовательно, угол ее поворота и ЭДС е₁ пропорциональны кон­тролируемому параметру. Рамка преобразователя ПФ2 механи­чески связана с осью двигателя РД.

Рамки преобразователей соединены последовательно так, что развиваемые ими ЭДС направлены навстречу друг другу, т. е. на вход усилителя УС подается разность ЭДС обоих преобразовате­лей: U = е₁—е₂.

При одинаковом положении рамок преобразователей ( ₁ = ₂) первичного и вторичного приборов ЭДС е₁ и е₂ равны между со­бой, и напряжение, подаваемое на вход усилителя, U = 0. При изменении значения контролируемого параметра рамка первич­ного прибора изменяет свое положение и е₁ е₂. На вход усили­теля будет подано напряжение U = е₁—е₂, не равное нулю. Ам­плитуда и фаза напряжения U зависят от угла поворота рамки передающего преобразователя. Напряжение AU, усиленное уси­лителем УС, приводит во вращение двигатель РД, который пово­рачивает рамку преобразователя ПФ2 и стрелку измерительного прибора. Поворот рамки ПФ2 вызывает изменение ЭДС е₂. Рамка и стрелка будут поворачиваться до тех пор, пока е₂ не станет рав­ной е₁, т. е. U = 0.

Таким образом, каждому положению рамки преобразователя первичного прибора соответствует вполне определенное положение рамки преобразователя вторичного прибора, а следовательно, и по­ложение стрелки относительно шкалы прибора.

В качестве систем передачи показаний с естественными сигна­лами наибольшее распространение получили дифференциально-трансформаторные, реостатные системы. В таких системах сигналы измерительной информации не приводятся к унифицированному (нормализованному) виду. Несмотря на то, что использование ес­тественных сигналов менее удобно, чем унифицированных, эти системы передач показаний распространены довольно широко. В ряде случаев, например, при решении локальных задач — из­мерении температуры, давления и т. д.— они оказываются проще и дешевле, чем системы с унифицированными преобразователями, так как к ним не предъявляют жестких требований работы в еди­ном комплексе с другими приборами и устройствами.

Работа дифференциально-трансформаторной системы передачи показаний (рис. 40, а) основана на принципе компенсации разно­сти напряжений в обмотках первичного и вторичного приборов. С изменением измеряемого параметра меняется положение чувст­вительного элемента 1 и перемещается сердечник дифференциально-трансформаторного преобразователя. Вследствие изменения взаи-

моиндукции между первичной обмоткой возбуждения и двумя вторичными обмотками, включенными навстречу друг другу, пе­ремещение сердечника первичного прибора преобразуется в на­пряжение. Дифференциальное действие катушки заключается в том, что перемещение сердечника в определенном направлении вызы­вает соответствующее изменение напряжения в одной из вторичных обмоток и обратное ему — в другой.

В систему передач вхо­дят два одинаковых диффе­ренциально - трансформатор­ных преобразователя, уси­литель УС и реверсивный двигатель РД, приводящий в движение с помощью про­фильного кулачка К сердеч­ник преобразователя вторич­ного прибора. С выходным валом двигателя РД сочле­нена стрелка отсчетного устройства вторичного при­бора. Первичные обмотки преобразователей соединены последовательно, и к ним подводится переменное на­пряжение. Их вторичные обмотки соединены так, что снятые с них напряжения

U₁ = (е₁—е₂) и U₂= (е₃—е₄)

находятся в противофазе, и

'поэтому результирующее на­пряжение, поданное на вход усилителя УС, будет равно U = U₁—U₂. Если сердеч­ники преобразователей нахо­дятся в одинаковых положениях, то напряжения U₁ и U₂ равны, т. е. U = 0.

При изменении контролируемого параметра перемещается сер­дечник преобразователя первичного прибора. При рассогласован­ных положениях сердечников преобразователей первичного и вто­ричного приборов напряжения, индуктируемые во вторичных об­мотках, не равны, и на вход усилителя УС будет подаваться на­пряжение АСУ. Амплитуда и фаза этого напряжения зависят от перемещения сердечника преобразователя первичного прибора.

Напряжение U = U₁—U₂, усиленное усилителем УС, при­водит во вращение двигатель РД, который перемещает стрелку, а с помощью кулачка — сердечник преобразователя вторичного прибора. Направление перемещения стрелки и сердечника будет зависеть от фазы напряжения, поданного на вход усилителя. Пе-

ремещение сердечника приводит к изменению напряжения U₂ = = е₃—е₄. Сердечник будет перемещаться до момента согласования положений сердечников в катушках первичного и вторичного при­боров. При согласованном положении сердечников вновь насту­пает равенство напряжений U₁ и U₂, и напряжение, поданное на вход усилителя, вновь становится равным нулю, а перемещение сердечника преобразователя вторичного прибора прекращается. Таким образом, каждому положению сердечника вторичного при­бора, определенному значением измеряемой величины, соответст­вует определенное положение сердечника преобразователя вторич­ного прибора, а следовательно, и положение стрелки относительно шкалы прибора.

Основным элементом реостатной системы дистанционной пере­дачи является реостатный передающий преобразователь (рис. 40, б). Этот преобразователь преобразует линейное перемещение в про­порциональное изменение электрического сопротивления. Он со­стоит из проволочного сопротивления R (реохорда) с подвижным контактом 1. Сопротивление реохорда пропорционально его длине. При дистанционной передаче показаний реохорд встраивают в пер­вичный прибор. Чувствительным элементом первичного прибора является мембрана 3, соединенная посредством штока 2 с подвиж­ным контактом 1. Вторичный прибор (амперметр) соединяется про­водами с реостатным преобразователем. При изменении контроли­руемой величины (давление Р) мембрана деформируется и вызы­вает перемещение штока 2 и подвижного контакта 1. При переме­щении контакта 1 изменяется сопротивление R, а следовательно, и величина тока в цепи I = E/R.

При постоянном значении напряжения питания Е и сопротив­лении проводов линии связи величина R зависит только от сопро­тивления реостатного преобразователя. Так как сопротивление R пропорционально давлению, измеряемому первичным прибором, то отклонение стрелки амперметра также пропорционально дав­лению Р. Поэтому стрелка вторичного прибора при градуировке его в единицах давления покажет давление, измеряемое вторич­ным прибором.

При автоматизации производственных процессов используют электрические, пневматические и гидравлические автоматические устройства. Для их совместной работы необходимо преобразовы­вать сигналы одного вида (одной физической природы) в пропор­циональные сигналы другого вида. Это осуществляют специальные преобразователи. Ниже рассмотрены наиболее распространенные из них.

Электропневматические преобразователи. Эти приборы предна­значены для преобразования непрерывного сигнала постоянного тока в диапазоне 0 5 мА в пневматический сигнал, изменяющийся от 20 до 100 кПа.

Принципиальная схема электропневматического преобразова­теля типа ЭПП-63 приведена на рис. 41, а. В установившемся ре­жиме постоянный ток входного сигнала проходит по катушке 2,

укрепленной на основном рычаге 3, и создает при взаимодействии с магнитным полем постоянного магнита 1 втягивающее усилие, которое уравновешивается усилием, создаваемым сильфоном об­ратной связи 6. При изменении тока равновесие рычажной системы нарушается, рычаги 3 и 5, соединенные гибкой тягой 4, поворачи­ваются вокруг ленточных шарниров и величина зазора между соп-лом 9 и заслонкой 10, укрепленной на основном рычаге 3, изме-

Рис. 41. Преобразователи: электропневматический (а), пневмоэлектриче-

ский (б)

няется. Это перемещение вызывает изменение давления воздуха, подаваемого от источника питания в камеру П_к, в междроссель­ной камере М_к пневмоусилителя и приводит к нарушению равно­весия дифференциальной мембраны 8, связанной со штоком тарель­чатого клапана 7. Шток изменяет степень открытия клапана, что вызывает изменение давления в камере выхода В_к и сильфоне обратной связи 6. В результате перемещения дна сильфона усилие обратной связи противодействует дальнейшему перемещению за­слонки до момента полного статического уравновешивания рычаж­ной системы 3, 4, 5.

Преобразователь имеет систему термокомпенсации, состоящую из медного шунта R_ш и дополнительного манганинового сопротив­ления R_Д. Основная погрешность такого преобразователя ±1 % от диапазона изменения входного сигнала, порог чувствительности 0,1 %, постоянная времени при длине пневматической линии 300 м и диаметре 6 мм — 25—30 с.

Пневмоэлектрические преобразователи предназначены для не­прерывного преобразования пневматического сигнала в пропор­циональный электрический сигнал постоянного или переменного

тока. Входным сигналом преобразователей является давление сжатого воздуха в диапазоне 20 100 кПа, а выходным — унифи­цированный сигнал постоянного или переменного тока.

На рис. 41, б приведена схема пневмоэлектрического преобра­зователя типа ППЭ-6. Преобразователь состоит из двух основных элементов: измерительного блока 1, воспринимающего входной пневматический сигнал Р_вх, и дифференциально-трансформатор­ного преобразователя 6, преобразующего входное давление Р_вх в электрический выходной сигнал. В измерительном блоке в ка­честве упругого чувствительного элемента использован сильфон 2, снабженный винтовой пружиной 10. Пружина нижним концом закреплена во втулке 13, а верхним — во втулке 9, одновременно служащей для центрирования и регулирования пружины. С дном сильфона связан шток 12, верхний конец которого соединен с ры­чагом 8. Осью рычага является упругий шарнир 3. При повороте рычага перемещается ролик 4, который закреплен на скобе 7, соединенной со штоком сердечника 5 дифференциально-трансфор­маторного преобразователя. Для уменьшения температурной по­грешности шток сильфона снабжен биметаллическим компенсато­ром 11.

Пневматический сигнал измерительной информации Р_вх подво­дится к пневмоэлектрическому преобразователю через штуцер в герметически закрытый кожухом измерительный блок 1. Под дейст­вием давления сильфон сжимается, что вызывает пропорциональное перемещение штоков, а следовательно, и сердечника дифферен­циально-трансформаторного преобразователя.

Основная погрешность преобразователя ППЭ-6, выраженная в процентах от максимального хода сердечника, не превышает ±1 %. Максимальное значение хода сердечника — 5 мм.