§ 5.3. Электрические системы передачи измерительной информации с унифицированным токовым сигналом

Одной из распространенных систем передачи измерительной ин­формации является электрическая система с унифицированным то­ковым сигналом. Использование постоянного тока в этой системе повышает ее помехоустойчивость, так как позволяет исключить влияние индуктивности и емкости линий связи на сигнал измери­тельной информации и увеличивает протяженность канала связи до 5 — 20 км.

Приемниками информации в электрических системах передачи могут быть промежуточные преобразователи, регуляторы, измери­тельные приборы или средства вычислительной техники.

В качестве источников информации в электрических системах передачи с унифицированным токовым сигналом применяются пер­вичные измерительные преобразователи, оснащенные преобразова­телями либо «сила — ток», либо «перемещение — ток».

Первичные измерительные преобразователи, оснащенные пре­образователями «сила — ток».

В основу работы ПИП, оснащенных преобразователями «си­ла— ток», положен принцип силовой компенсации. ПИП включает (рис. 5.6) чувствительный элемент II и преобразователь «сила —ток» III.

И змеряемая величина П преобразуется чувствительным элемен­том II в усилие R_x. Это усилие через рычаг 2 уравновешивается усилием обратной связи R_oc, развиваемым магнитоэлектрическим преобразовательным элементом.

Рис. 5.6. Схема электрической системы передачи измерительной инфор­мации с преобразователем «сила—ток»

Магнитоэлектрический преобразо­вательный элемент состоит из стержневого постоянного магнита NS с П-образным магнитопроводом 3, в зазоре между постоянным магнитом NS и магнитопроводом расположена круглая рамка 4, жестко закрепленная на рычаге 2. Обмотка рамки соединена с вы­ходом электронного усилителя 7. Вход электронного усилителя сое­динен с вторичными обмотками L₂ и L₂' индикатора перемеще­ния 6 рычага 2. Индикатор перемещения выполнен в виде дифференциально-трансформаторного преобразователя, на первичную об­мотку L₁ которого подается питание с электронного усилителя.

При изменении значения П равновесие рычажной системы нару­шается, что приводит к перемещению рычага и укрепленного на нем сердечника 5 из магнитомягкого материала. Перемещение сер­дечника преобразуется индикатором перемещения 6 в электрический сигнал Δе, который поступает на вход электронного усилите­ля 7. Последний усиливает и преобразует Δе в ток I_ВЫX, подавае­мый в линию связи и на вход элемента обратной связи— магнито­электрического преобразовательного элемента. При протекании тока I_ВЫX по катушке 4 магнитоэлектрического преобразовательного элемента формируется сила

R_oc = Bln I_ВЫX , (5.15)

где В — магнитная индукция; l — средняя длина витка катушки; n — число витков катушки.

Перемещение рычага 2 под действием сил R_x и R_oc происходит до тех пор, пока не наступит состояние равновесия:

R_xl₁ = R_ocl₂. (5.16)

В состоянии равновесия выходной сигнал преобразователя «си­ла — ток» связан с силой R_x зависимостью

I_ВЫX = (5.17)

Уравнение (5.17) представляет собой статическую характеристи­ку преобразователя «сила — ток». Принимая во внимание статиче­скую характерстику (5.5) чувствительного элемента, запишем урав­нение (5.17) следующим образом:

I_ВЫX = (5.18)

где k₀ - коэффициент преобразования чувствительного элемента;

k₀ = - коэффициент преобразования ПИП.

Уравнение представляет собой статическую характеристику ПИП.

Путем изменения коэффициента k_П можно изменять диапазон измерении преобразователя в пределах ± (10—20) %. Как и в пнев­матических преобразователях, изменение k_П достигается изменени­ем отношения l₁/l₂.

Для преобразователя, настроенного на заданный диапазон из­мерении, например 0—П_max, статическая характеристика име­ет вид

I_ВЫX = (5.19)

где k -постоянный коэффициент, определяемый диапазоном из­менения выходного сигнала и равный 5 для ПИП с диапазоном из­менения выходного сигнала 0—5 мА.

Для ПИП с диапазоном измерений П_min—П_max, статические характеристики имеют вид

I_ВЫX = (5.20)

если диапазон изменения выходного сигнала 0—5 мА, или

I_ВЫX = (5.21)

если диапазон изменения выходного сигнала 0—20 мА.

В тех случаях, когда возникает необходимость изменения диа­пазона измерений в больших пределах, применяют ПИП с преоб­разователем «сила-—ток», представленным на рис. 5.7.

Перемещением ножевой опоры 4 можно изменять диапазон из­мерений в широких пределах. Назначение остальных элементов пре­образователя «сила — ток» аналогично назначению соответствую­щим элементам преобразователя, представленного на рис. 5.6.

Кроме рассмотренных ПИП с линейной статиче­ской характеристикой раз­работаны преобразователи с квадратичной корневой статической характеристи­кой. Отличительной чертой преобразователей этого ти­па является использование электромагнитного преобра­зовательного элемента в ка­честве элемента обратной связи. Развиваемое им уси­лие обратной связи R_oc свя­зано с током I_ВЫX соотноше­нием

R_oc = k_oc I²_ВЫX, (5.22)

где k_oc - коэффициент пре­образования электромагнит­ного преобразовательного элемента.

Рис. 5.7. Схема унифицированного преобра­зователя «сила — ток»

1 — Т-образный рычаг; 2 — пружина корректора нуля; 3 — Г-образный рычаг; 4 — ножевая опора; 5 —индикатор перемещений: 6 — рычаг обратной связи; 7 —элемент обратной связи; 8— электрон­ный усилитель

Преобразователи с квад­ратичной корневой статиче­ской характеристикой нахо­дят применение в тех случаях, когда необходима передача изме­рительной информации о расходе, измеряемом методом переменно­го перепада давления.

При эксплуатации системы передачи с унифицированным токо­вым сигналом важным является соответствие суммарного сопротив­ления внешней нагрузки нормированному значению. Суммарное сопротивление внешней нагрузки не должно превышать 2,5 кОм при токе 5 мА и 1 кОм при токе 20 мА. Дальность передачи инфор­мации при токе 0—5 мА равна 5 км, а при токе 0—20 мА—20 км.

Первичные измерительные преобразователи, оснащенные преоб­разователями «перемещение — ток». Система передачи измеритель­ной информации на базе ПИП с преобразователем «перемещение — ток» представлена на рис. 5.8 [6].

Основными узлами ПИП являются чувствительный элемент II и преобразователь «перемещение — ток» III.

Чувствительный элемент II преобразует измеряемый технологи­ческий параметр П в линейное перемещение магнитного сердечни­ка I, изготовленного в виде постоянного магнита цилиндрической формы.

Преобразователь III осуществляет преобразование перемещения постоянного магнита I в электрический сигнал.

Рис. 5.8. Схема электрической системы передачи измерительной инфор­мации с преобразователем «перемещение — ток»

Для преобразова­ния используется магнитная система из внешних магнитопроводов 5 и 6 (рис 5.9) и индикаторов магнитных потоков (магнитопро­водов специальной формы) 2 и 9, каждый из которых содержит

Обмотку возбуждения W_B и обмотку обратной связи W_ос. Обмотки возбуждения с последовательно включенными диодами Д₁ и Д₂ об­разуют плечи неравновесного моста. Два других плеча образуют резисторы R₁ и R₂, шунтированные фильтрующим конденсатором С. Измерительная диагональ аб моста подключена к усилителю 7, вы­ход которого соединяется через канал связи с приемником инфор­мации IV и через элемент обратной связи 8 с обмотками обратной связи W_oc.

Питание мостовой схемы осуществляется напряжением в виде прямоугольных импульсов частотой 50 Гц.

При нейтральном положении магнитного сердечника I (рис. 5.9, а) ответвляемые магнитные потоки Ф₂ и Ф₃ в магнитопроводы индикаторов магнитных потоков 2 и 9 равны по величине и проти­воположны по направлению.

Так как магнитные потоки Ф2 и Ф3 равны, то результирующий магнитный поток Ф_м равен нулю.

При смещении сердечника от среднего положения (рис. 5.9, б) возникает результирующий магнитный поток Фм, направление ко­торого определяется направлением перемещения сердечника и его полярностью.

Рис. 5.9. Распределение магнитных потоков в магнитном преобразовательном элементе

Если сердечник I находится в нейтральном положе­нии, то в магнитопроводах индикаторов магнитных потоков 2 и 9 (см. рис. 5.8) присутствуют только магнитные потоки Ф_В1 и Ф_В2. Эти магнитные потоки обусловливают одновременное насыщение магнитопроводов индикаторов 2 и 9, что отражается на значени­ях индуктивности и полного сопротивления обмоток W _В1 и W_B2. В ре­зультате в любой момент времени І₁ = I₂ и мост находится в равно­весии. При изменении положения сердечника в магнитопроводах индикаторов 2 к 9 появляются магнитные потоки Ф_м, которые с магнитными потоками Ф_В1 и Ф_В2 создают результирующие магнитые потоки:

Ф₁* = Ф_М+Ф_В1 и Ф₂* = Ф_М-Ф_В2 .

Под влиянием магнитного потока Ф₁* насыщение магнитопровода индикатора магнитного потока 2 наступает раньше, чем на­сыщение магнитопровода индикатора магнитного потока 9 пото­ком Ф₂*. Вследствие этого ток І₁, протекающий по обмотке W_B1, резко возрастает, что сопровождается нарушением равновесия мос­товой схемы.

Усилитель формирует на выходе сигнал постоянного тока І_ВЫХ, пропорциональный разбалансу мостовой схемы. Сигнал поступает в канал связи и через устройство обратной связи 8 — в обмотку обратной связи W_oс. При прохождении тока І_ос по обмоткам W_ос фор­мируются магнитные потоки Ф_ос, которые направлены навстречу магнитным потокам Ф_м и обеспечивают их компенсацию.

В результате компенсирующего воздействия магнитного пото­ка Ф_ос на магнитный поток Ф_м равновесие мостовой схемы восста­навливается и для любого момента времени І₁≈І ₂.

Статическая характеристика преобразователя определяется ви­дом зависимости І_ос = f( І_ВЫХ). Для преобразователей с линейной характеристикой устройство обратной связи представляет собой активное сопротивление, а для преобразователей с квадратичной корневой характеристикой устройство обратной связи выполнено в виде квадраторов. Настройка ПИП на заданный диапазон изме­рений осуществляется изменением параметров устройства обрат­ной связи, а настройка нулевого сигнала — c помощью винта 4, пе­ремещающего шунт 3. Суммарное сопротивление внешней нагруз­ки R_BH не должно превышать 2,5 кОм. Классы точности преобразо­вателей с унифицированным токовым сигналом: 0,6; 1,0; 1,5.