1.3.4. Контрольно-измерительные приборы и элементы автоматики.

Приборы контроля уровня.

Для измерения уровня жидкости в судовых системах используют поплавковые, мембранные, ёмкостные и другие виды датчиков.

1. Мембранные уровнемеры.

Применяются для измерения уровня в балластных цистернах, грузовых танках и т.д.

Принцип действия этих датчиков основан на свойстве жидкости оказывать гидростатическое давление на дно цистерны. Это давление определяется основным уравнением гидростатики:

,

где h – уровень жидкости в цистерне, м;  - плотность жидкости, кг/м³; Р₀ – давление на поверхности жидкости, Па.

Тогда уровень равен:

Таким образом, необходимо измерить перепад давлений у дна цистерны и на поверхности. Для измерения этой разности применяется дифференциальный манометр. Схема дифференциального манометра с дистанционной передачей сигнала представлена на рисунке.

Чувствительный элемент состоит из перегородки 2, в которую ввёрнуты две гофрированные мембранные коробки 1 и 3, внутренние полости которых между собой каналом и заполнены дистиллированной водой. К центру верхней мембраны закреплён ферромагнитный сердечник 6 дифференциального трансформатора с первичной 4 и вторичной 5 обмотками. Сердечник находится внутри разделительной трубки 5. В нижнюю и верхнюю камеры корпуса 8 подводятся давления Р₁ (у дна цистерны) и Р₂ (на поверхности). Под действием разности давлений в камерах (Р₁ > Р₂) нижняя коробка 1 сжимается, вода из неё перетекает в верхнюю коробку 3, вызывая перемещение сердечника дифференциального трансформатора, что в свою очередь вызывает изменение ЗДС вторичной обмотки.

2. Емкостные уровнемеры.

Принцип действия этих уровнемеров основан на использовании ёмкостных преобразователей с переменным диэлектриком. Схема датчика такого уровнемера в виде цилиндрического конденсатора представлена на рисунке.

Конденсатор образован двумя концентрическими электродами – трубой 1 и стержнем 2. Датчик помещён в контролируемую среду с уровнем h₂. Ёмкость датчика может быть определена как ёмкость двух параллельно соединённых конденсаторов, один из которых образован электродами длиной h₂ (с диэлектриком – контролируемой жидкостью, диэлектрической проницаемостью ₁), второй – электродами длиной h – h₂ (с диэлектриком – воздухом, диэлектрической проницаемостью ₀). Ёмкость датчика изменяется пропорционально уровню h₂:

,

где . r₁ и r₂ – радиусы стержня и трубы.

Недостатком данного способа измерения является то, что диэлектрические свойства жидкостей изменяются в зависимости от температуры и состава.

Ёмкостные уровнемеры можно применять и для измерения уровня электропроводных жидкостей – в этом случае один из электродов покрывается тонким слоем изоляционного материала.

3. Ультразвуковые уровнемеры.

Принцип действия этих приборов основан на отражении ультразвуковых волн от поверхности раздела сред. Схема такого уровнемера представлена на рисунке.

В нижней части цистерны размещены излучатель 6 и приёмник 7 ультразвуковых колебаний. Излучатель через определённые промежутки времени посылает импульсы ультразвуковых колебаний, которые распространяются со скоростью с. Достигнув поверхности раздела на высоте h, часть энергии ультразвуковых колебаний отражается и с той же скоростью распространяется к приёмнику. Время от момента излучения до попадания на приёмник: , где k – поправочный коэффициент. Таким образом, промежуток времени между излучением и приёмом при постоянной скорости распространения однозначно характеризует уровень жидкости. Излучателем и приёмником ультразвуковых колебаний служат пьезоэлектрические преобразователи. Генератор 1 вырабатывает высокочастотные электрические колебания, которые подаются на излучатель 6. Приёмник 7 производит обратное преобразование ультразвуковых колебаний в электрические. Этот электрический сигнал усиливается в усилителе 3 до значений, достаточных для обработки в измерителе времени 4. Синхронизирующее устройство 2 обеспечивает одновременный с излучением пуск измерителя времени. Измеритель времени вырабатывает сигнал, пропорциональный промежутку времени , и подаёт его на показывающий прибор 5, проградуированный в единицах уровня.

Приборы контроля давления.

Датчики давления обычно состоят из двух измерительных преобразователей. Первый служит для преобразования давления в механический параметр (например, перемещение) с помощью упругих чувствительных элементов (мембран, мембранных коробок, сильфонов), второй – для преобразования механического параметра в электрический (сопротивление, ёмкость, индуктивность). Более подробно – см. курс ТТИ.

Датчик давления с потенциометрическим преобразователем.

Схема датчика представлена на рисунке.

Чувствительным элементом является мембранная коробка 1, которая деформируется под действием измеряемого давления Р. Эта деформация приводит к перемещению штока 2 и связанного с ним движка потенциометрического преобразователя 3. Соответственно, изменяется электрическое сопротивление и значение выходного сигнала цепи.

Реле давления типа РДК.

Схема данного реле, применяемого как сигнализатор давления, показана на рисунке.

Принцип действия реле основан на уравновешивании силы давления Р, действующей на сильфон 4, силами упругости пружины 7 и сильфона. При повышении давления дно сильфона со штоком 3 и правым концом рычага 5 движется вверх, а левый конец рычага – вниз, растягивая пружину 7. Рычаг 2 идёт влево, размыкая кнопкой микровыключателя 1 электрическую цепь. Винт 6 с движущейся по нему кареткой 8 служит для настройки реле на требуемое давление. При этом величина установленного предельного давления отображается на шкале 9.

Приборы контроля температуры.

Для контроля температуры рабочих сред применяют датчики с механическими и электрическими чувствительными элементами.

Более подробно – см. курс ТТИ (жидкостные, биметаллические, дилатометрические, манометрические, термоэлектрические, датчики сопротивления).

Термореле типа ТРК.

Схема данного реле, применяемого в системах кондиционирования воздуха, приведена на рисунке.

Реле предназначено для размыкания цепи при достижении заданной температуры воздуха. Его действие основано на изменении давления легкоиспаряющейся жидкости в термобаллоне 7 при изменении температуры окружающего воздуха. При повышении температуры эта жидкость закипает, давление в термобаллоне увеличивается и через капиллярную трубку воздействует на сильфон 6. Сильфон сжимается, и шток 5 движется вверх, поворачивая рычаг 3, который в свою очередь размыкает контакты переключателя 4. Заданная температура срабатывания реле устанавливается с помощью пружины 1, натяжение которой регулируется винтом 2.