Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

404

Принцип действия пьезоэлектрических датчиков основан на преобразовании механической энергии в электрическую при помощи пьезоэлектрического эффекта – возникновение электрических зарядов на поверхностях некоторых кристаллов при механическом воздействии на них

(рис. 10.16).

Величина заряда Q пропорциональна давлению, сжимающему кристалл:

Q dP,

где d пьезоэлектрический модуль, Кл/Па; Р–давление, Па. Пьезоэлектрический модульдляданного типа пьезоэлемента величина по-

стоянная. По сравнению с тензометрическими датчиками пьезоэлектрические обладают рядом преимуществ. Они более компактные, на их показания не влияет изменение температуры и, кроме того, они значительно чувствиительнее. Однако для измерения статических давлений пьезоэлектрические датчики не пригодны.

Принцип действия приборов, основанных на зависимости между давлением или разрежением и упругой деформацией сильфона с винтовой цилиндрической пружиной виден из рис. 10.17.

Рис.10.16. Пьезоэлектрический Измеряемое давление подводится к штуцеру 2 датчик: 1− корпус; 2− чувстви- прибора и через капилляр попадает в полость 1 тельный элемент; 3−крышка, кожуха сильфона 3. Дно 19 сильфона перемеща- 4− электрод ется вверх, сжимая ввернутую в резьбовую втулку 6 пружину 4. Выворачивая или вворачивая пружину 4 во втулку 6, можно регу-

лировать жесткость сильфона. Втулка 6 ввернута в верхнюю неподвижную плату 7 сильфонного механизма, который укреплен на кронштейне 18. Перемещаясь вверх, дно сильфона поднимает прижатую пружинкой к втулке 5 иглу 8 и связанную с ней серьгу 9, вызывая поворот рычага 10, вращающегося на оси 11; на той же оси вращается рычаг 20. Поворот рычага 10 на оси 11 через рычаг 20 передается связанной с ним тяге 12 через поводок 13, поворачивающий ось мостика пера (стрелки).

Сухарь 16, находящийся на рычаге 10, служит для регулировки и может передвигаться при помощи винта 17. В основу работы сильфонного вакуумметра положен следующий принцип: величина разрежения, подаваемого в полость 1 кожуха сильфона 3, заставляет последний расширяться, что ведет за собой перемещение его дна и связанного с ним пера записывающей части прибора.

Описываемая конструкция вакуумметра аналогична конструкции механизма передачи записи у манометров. Исключением является лишь то, что тяга 12 соединена с противоположным плечом поводка 13 (на чертеже не показано), что вызвано расширением сильфона (при измерении давления сильфон сжимается) и соответственным движением всей системы рычагов,

405

Рис.10.17. Сильфон и передаточный механизм: 1− полость; 2− штуцер; 3− кожух сильфона; 4− пружина; 5, 6 – втулка; 7− неподвижная плата;8− игла; 9−серьга; 10, 14, 20 – рычаги; 11− ось; 12− тяга; 13− поводок; 15−стрелка;

16− сухарь; 17− винт; 18− кронштейн; 19 − дно сильфона

В приборах с трубчатой многовитковой пружиной (рис. 10.18, а) измеряемое давление подводится к штуцеру прибора и через капилляр передается в винтовую трубчатую пружину 1. Раскручивание пружины, вызываемое давлением передается посредством передаточного механизма на рычаг пера (стрелки).

Передаточный механизм прибора с записью одной кривой смонтирован вместе с пружиной на обратной стороне сегмента. Манометрическая пружина 1 припаяна одним концом к неподвижной скобе 2, а другим (подвижным) концом

– к соединительной скобе 3. Соединительная скоба, гибкая в радиальном направлении, связывает пружину с осью 4. Вся эта система укреплена винтами на кронштейне 5. На оси пружины жестко закреплен рычаг 6, по которому при помощи винта 7 может перемещаться каретка 8, шарнирно связанная с поводком 9 и тягой 10. Поводок жестко закреплен на оси, несущей мостик пера (стрелки) 11. Винт и каретка служат для изменения передаточного числа механизма (при тарировке прибора). Передаточный механизм с записью двух кривых также монтируется на сегменте и отличается от описанного механизма наличием второй пружины, передающей свое перемещение на второй мостик пера (стрелки). На сегменте имеется корректор нуля, представляющий собой эксцентрик, при вращении которого поворачивается кронштейн 5 с укрепленной на нем пружиной 1. Благодаря этому происходит смещение пера (стрелки) без изменения рабочего угла поворота. С передней стороны сегмента выступает головка корректора нуля со шлицем. Более точно перо (стрелка) устанавливается на нуль перемещением рычага относительно мостика при помощи отвертки, вставляемой в отверстие мостика. В приборах с трубчатой одновитковой пружиной (рис. I0.18, б) измеряемое давление в пружину 3 подается через штуцер 1 прибора и трубку 2, представляющую собой полую изогнутую по дуге окружности трубку овального сечения.

406

а) б)

Рис.10.18. Механизм с многовитковой (а) и одновитковой пружинами: 1− трубчатая пружина; 2− неподвижная скоба; 3− соединительная скоба; 4− ось; 5− кронштейн;

6−рычаг; 7− винт; 8− каретка; 9− поводок; 10− перо и стрелка

Механизм пружины смонтирован на плате 4, которая крепится ко дну корпуса прибора. Один конец пружины закреплен в неподвижном основании 5, другой конец пружины соединен посредством наконечника и поводка 7 с тягой 8. Вторым концом тяга 8 соединена шарнирно с направляющей 9, которая установлена в прорези рычага 10 и имеет возможность перемещаться в ней. Рычаг 10 вращается на оси 11, на этой же оси вращается рычаг 12, который соединен посредством направляющей с тягой 13. Второй конец тяги 13 соединен шарнирно с рычагом 14. От рычага 14 движение передается на мостик пера (стрелки) 15, который скреплен с рычагом (стрелкой) 16. На конце рычага (стрелки) 16 надет перодержатель с пером. Перемещением направляющей 9 по прорези рычага 10 можно изменять передаточное отношение механизма манометра. Аналогичное соединение рычага 12 и тяги 13 используется при тарировке и регулировке прибора.

Под расходом понимают среднее количество вещества (объем или массу), протекающее через данное сечение в единицу времени (м3/с, кг/с). Понятия «расход» и «количество вещества» следует различать. Расход — это производная от изменения количества вещества по времени. Суммирующие устройства для определения количества называют счетчиками.

Расход вещества представляет собой произведение площади сечения на скорость потока. Физические явления, лежащие в основе измерения расхода, могут быть связаны с изменением как скорости движения вещества, так и его количества.

При установке в трубопроводе диафрагмы — перегородки с отверстием (рис. I0.19, а) — скорость движения жидкости (или газа) в самой диафрагме и непосредственно после нее возрастает (площадь струи меньше, а расход вещества прежний).

Увеличение скорости струи приводит к снижению давления, так как по закону Бернулли сумма кинетической энергии струи, пропорциональной квадрату скорости и статической энергии, определяемой давлением, — величина посто-

407

янная. Разность давлений до и после диафрагмы может измеряться любым дифференциальным манометром. Величина разности давлений пропорциональна квадрату расхода жидкости. Такие элементы называются элементами переменного перепада. Чувствительным элементом расхода жидкости может служить любой сосуд с калиброванным отверстием на выходе (рис. 10.19, б).

Рис. 10.19. Чувствительные элементы расхода и количества вещества а – с диафрагмой; б – мерный сосуд; в – ротаметр; г – вертушка; 1 – поплавок; 2 – корпус

Благодаря самовыравниванию на стороне расхода при увеличении поступления жидкости в сосуд Qи значение уровня будет возрастать, пока не наступит установившееся состояние, при котором расход увеличится до нового значения прихода

QH Qp kHуст ,

где Q расход, кг/с; H уровень, м; k коэффициент пропорциональности. Новое установившееся значение уровня НУСТ пропорционально квадрату

расхода. В этом элементе изменение расхода преобразуется в изменение уровня. Но увеличение уровня в сосуде приводит к увеличению его массы, что может быть легко преобразовано в перемещение. На рис. 10 .20, б внизу показан такой же сосуд, но он может вращаться вокруг шарнира. Вес жидкости в нем уравновешивается силой растянутой пружины на другом конце рычага. В некоторых элементах вместо пружины устанавливают постоянный груз.

В ротаметре (рис. 10.19, в) (элемент постоянного перепада) изменение расхода жидкости или газа преобразуется за счет кинетической энергии движения вещества в перемещение поплавка 1. Корпус ротаметра 2 представляет собой стеклянную трубку с небольшой конусностью, расширяющейся кверху. Поплавок ротаметра имеет цилиндрическую форму с конической частью внизу. Жидкость или газ, встречая при движении донышко поплавка, теряет часть кинетической энергии. Давление под поплавком становится выше, чем над ним. Разность давлений уравновешивается весом поплавка. При увеличении расхода давление под поплавком возрастает, и он перемещается. Кольцевой зазор между коническим корпусом и поплавком увеличивается. Благодаря этому разность

408

давлений снижается до прежней величины и снова уравновешивается весом поплавка, но уже в новом, более высоком положении.

Непосредственное преобразование скорости движения жидкости или газа (и соответственно расхода) в скорость перемещения твердого тела можно осуществить простой вертушкой (рис. 10 .19, г).

Уровень жидкости или сыпучих материалов в отличие, например, от температуры, давления можно непосредственно наблюдать.

Для измерения уровня по принципу измерения различают приборы:

1)поплавковые и буйковые – чувствительным элементом является плавающий или полностью погруженный в измеряемую жидкость поплавок или буек;

2)емкостные – используется изменение электрической емкости датчика при изменении уровня измеряемой среды;

3)радиоактивные – основаны на изменении протекающего через объект потока излучения при изменении уровня;

4)мембранные – чувствительным элементом является мембрана; давление столба измеряемой жидкости уравновешивается упругой деформацией мембраны или пружины;

5)давления (поплавковые, сильфонные, мембранные) — основанные на измерении давления столба рабочей жидкости.

Таким образом, определение уровня сводится или к непосредственному наблюдению положения материала относительно какой-либо отметки сосуда, или

кпреобразованию уровня в сигнал давления, электрический или радиоактивный сигнал. Основные чувствительные элементы, указанные в классификации уровнемеров, рассмотрены выше.

Вкачестве примера рассмотрим электрическую схему сигнализатора уров-

ня (рис. 10.20).

Рис. 10.20. Принципиальная электрическая схема сигнализатора уровня с бесконтактным датчиком

Схема состоит из трех функциональных частей: датчика импульсов, дифференцирующей цепочки и релейного усилителя. Датчик импульсов включает генератор на транзисторе Т1 и усилитель на транзисторах Т2 и Т3. Катушки обрат-

409

ной связи выполнены на ферритовых сердечниках, которые расположены соосно с необходимым зазором, образующим рабочий зазор датчика.

При экранировании одной катушки от другой при помощи вращающегося диска колебания в схеме не возбуждаются, а при отсутствии между катушками экрана схема генерирует высокочастотные колебаний, которые преобразуются усилителем в сигналы постоянного тока на коллекторе Т3 . В момент заполнения материалом расходного бункера движение диска, зубцы которого проходят через паз чувствительного элемента датчика (L1, L2 , L3), затормозится, и импульсы на выходе усилителя (транзистор Тз) прекратятся.

Одновременно исчезнут импульсы на выходе дифференцирующей цепочки после диода Д2 , и начнется разрядка конденсатора. Как только напряжение на нем станет ниже уровня, при котором транзистор T4 поддерживается в открытом состоянии, последний закрывается, а транзистор T5 открывается. Выходное реле срабатывает и выдает в электросхему управляющий сигнал.

Измерение расхода вещества (топлива) методом перепада. Расходомеры,

применяемые для измерения расхода жидкостей, паров, газов, движущихся в трубопроводах, могут быть подразделены по принципу действия на тахометрические, обтекания, переменного уровня, электромагнитные (индукционные), ультразвуковые и переменного перепада давления.

Последние являются измерительными комплектами и состоят из приемного преобразователя, создающего перепад давления в зависимости от величины расхода, соединительных трубок со вспомогательными устройствами и дифференциального манометра. Применяются различные приемные преобразователи и дифманометры (рис. I0.21).

Рис. I0 .21. Блок-схема измерения расхода методом перепада

Среди первых наиболее широко распространены стандартные сужающие устройства. Кроме них находят применение нестандартизированные сужающие устройства, напорные устройства, измеряющие динамическое давление потока, а также приемные преобразователи в виде участка трубопровода, сопротивление которого изменяется в зависимости от расхода. Среди дифманометров широко применяются поплавковые, кольцевые и колокольные. Эти приборы надежны и достаточно точны, но имеют неблагоприятные динамические характеристики. Кроме того, недостатком этих приборов является наличие во многих из них ртути. Сейчас все большее распространение получают пружинные дифманометры с компенсационной схемой измерения.

Сужающие устройства в комплекте с дифманометрами-расходомерами применяются для измерения расхода жидкости, газа или пара по методу пере-

410

менного перепада давления. Для измерения по этому методу в трубопроводе, по которому протекает жидкое или газообразное вещество, устанавливается устройство, создающее местное сужение потока. Вследствие перехода части потенциальной энергии давления в кинетическую энергию средняя скорость потока в суженном сечении повышается. В результате этого статическое давление потока после сужающего устройства становится меньше, чем перед ним. Разность этих давлений (перепад давления) зависит от расхода протекающего вещества и может служить мерой расхода.

К стандартным сужающим устройствам относятся диафрагмы, сопла, которые удовлетворяют требованиям, обеспечивающим возможность изготовления и применения таких устройств по результатам расчета без индивидуальной градуировки. Остальные сужающие устройства (трубы Вентури, сегментные и эксцентричные диафрагмы, специальные сопла и др.) не стандартизованы. Измерение перепада давления в сужающем устройстве производится через отдельные цилиндрические отверстия или через две кольцевые камеры, каждая из которых соединяется с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью (сплошной или прерывистой) или группой равномерно распределенных по окружности отверстий. На рис. 10.22 приведена конструкция диафрагмы.

Диафрагмы могут применяться для трубопроводов диаметром не менее 50 мм

при условии 0,05≤ d ≥0,7, где d – диаметр сужающего устройства, мм;

D

D – диаметр трубопровода. Рассмотрим работу дифманометра типа ДМК. Дифманометры мембранные компенсационные являются первичными бесшкальными приборами, предназначенными для измерения перепада давлений газа и преобразований измеренной величины в электрический сигнал, пропорциональный ей или корню квадратному из данной величины. Дифманометры работают в комплекте со вторичными приборами ферродинамической или частотной системы. На рис. 10.22, б приведена принципиальная схема дифманометра. При изменении разности давлений, действующих на вялую мембрану 3, перемещается связанный с ней плунжер 2 индукционного датчика. Возникшее вследствие перемещения плунжера напряжение разбаланса поступает на вход электронного усилителя 1.Конденсаторный двигатель 8, управляемый электронным усилителем, поворачивает лекало 6 и через рычаг 5 действует на уравновешивающую пружину 4. Процесс компенсации оканчивается, когда плунжер 2 возвращается в прежнее положение, и усилие, развиваемое мембраной, уравновешивается силой пружины.

Ось лекала 6 и стрелка 7 поворачиваются на угол, соответствующий измеряемой величине. С осью лекала кинематически связаны оси рамок выходных преобразователей 9, предназначенных для дистанционной передачи измерений.

Дифманометры могут быть снабжены одним, двумя или тремя выходными преобразователями. Основная погрешность показаний комплекта по шкале вторичного прибора, подключенного к одному из выходных ферродинамических преобразователей дифманометра, не должна превышать ±1,5%.

411

манометра:

Датчики скорости. При контроле работы строительных машин, движущихся механизмов и их частей находят широкое применение реле скорости. Наиболее распространенными и надежными датчиками скорости являются тахогенераторные и магнитоиндуктивные датчики.

Электрические генераторы, обладающие хорошими линейными зависимостями между входной величиной — угловой скоростью и выходной величиной

— напряжением, называются тахогенераторами.

Тахогенераторы предназначены для измерения скорости вращения вала исполнительного механизма. Для этого генератор присоединяют к исполнительной оси и по величине выходного напряжения, снимаемого с якоря (тахогенератор постоянного тока), или статорной обмотки (генератор переменного тока) определяют величину скорости вращения исполнительного механизма.

В системах автоматического регулирования скорости исполнительного электродвигателя тахогенераторы выполняют роль измерительного элемента, фиксирующего отклонение скорости вращения якоря от заданной и вырабатывающего соответствующее напряжение, которое после сравнения с эталонным напряжением поступает на усилители для создания управляющего воздействия.

При использовании магнитоиндуктивного датчика применяют магнитопроводящий диск с прорезями (рис. 10.23, а). Этот диск при вращении создает изменение магнитного сопротивления датчика. Максимальная проводимость зазоров магнитной системы имеет место тогда, когда над датчиком проходит пластина диска. В результате изменения проницаемости происходит пульсаций магнитного потока, что приводит к появлению электродвижущей силы.

Индукционными называются датчики, в которых измеряемая неэлектрическая (обычно механическая) величина преобразуется в индуктированную электродвижущую силу.

Наведенная электродвижущая сила определяется скоростью изменения магнитного потока по формуле

Е dФ , dt

где Е– электродвижущая сила, В; w – число витков; Ф – магнитный поток, Вб; t– время, с.

412

Вследствие этого индукционные датчики могут непосредственно применяться в качестве элементов преобразования скорости угловых и линейных перемещений. На рис. 10.23, в показана схема магнитоиндуктивного датчика, в котором катушка и магнитная система остаются неподвижными, а подвижная часть (якорь), скрепленная с перемещающимся объектом, выполнена в виде пластины (кольцо) из ферромагнитного материала. При движении этой части меняется магнитное сопротивление, а следовательно, и поток, сцепляющийся с витками катушки.

Рис. I0.23. Магнитоиндуктивный (индукционный) датчик:

а) − установка датчика; б) − схема конструкции и действия датчика с неподвижным преобразователем; в) −схема конструкции и действия датчика с под вижным преобразователем; 1 − стойка металлическая; 2 − кронштейн; 3 −приводной вал; 4 − управляющая пластина;

5 − датчик

Другим конструктивным вариантом индукционного датчика является преобразователь, в котором катушка перемещается в зазоре постоянного магнита или постоянный магнит (электромагнит) перемещается относительно неподвижной катушки (рис. 10.23, б).

10.3. Усилители и переключающие устройства

При получении информации от первичных преобразователей или измерительных схем сигнал настолько слаб, что его невозможно использовать без дополнительного усиления – преобразования сигнала в сигнал того же вида энергии, но более мощный. В усилителе происходит преобразование по функции у = kх, где у – сигнал выхода, х – сигнал входа, k – коэффициент усиления.

Усилители классифицируются по принципу действия в зависимости от вида действующей в них энергии; электрические (электронные, магнитные, на сопротивлениях, на транзисторах, на трансформаторах); механические, электромеханические, электромашинные, пневматические, гидравлические; по назначению – мощности, напряжения, тока, избирательные, дифференциальные, низкой частоты, высокой частоты, фотоэлектрические, релейные.

413

Для усиления дискретных сигналов применяют специальные релейные устройства. Реле могут быть как контактные, так и бесконтактные. Дискретные усилительные устройства используются в схемах для создания определенных логических зависимостей.

Электромагнитные усилители. Для усиления дискретных сигналов наиболее широкое распространение получили электромагнитные реле, относящиеся

кэлектромеханическим устройствам преобразования.

Вреле изменение входной величины х приводит к скачкообразному изменению выходной величины у. Пусть х (рис. I0.24, а) возрастает от значения х1 до х2. Когда х достигнет хср (величины срабатывания), у примет свое максимальное значение и дальше не изменится.

При уменьшении х (от х2 до x1) возврат реле в прежнее положение (отпускание) происходит обычно при величине х0Т несколько меньшей, чем хср. Отношение x0Т/xср называют коэффициентом возврата. В зависимости от конструкции он изменяется в пределах от 0,2 до 0,95. Реле характеризуются: а) мощностью срабатываний Рср, т. е. той минимальной мощностью, которую необходимо подать на вход, чтобы обеспечить срабатывание контактов; б) мощностью управления Рун, т. е. максимальной мощностью в управляемой цепи, при которой контакты работают надежно (не пригорают и не разрушаются); в) продолжительностью срабатывания Tср , т. е. интервалом времени от момента подачи

сигнала на вход до момента замыкания контактов; г) количеством контактов. Коэффициент усиления по мощности K=Pуп /Pср . Параметры реле обычно вы-

бирают так, чтобы Рср была несколько ниже мощности, которая устанавливается на входе Рвх

Рис. I0. 24. Электромагнитные реле и их технические характеристики: а) – нейтральное реле; б) – поляризованное реле 1–сердечник; 2– якорь; 3– пружина; 4– контактная система;

5– короткозамкнутый виток; Ф –поток; х– входная величина; у – выходная

Отношение Pвх /Pср характеризует коэффициент запаса реле по срабатыва-

нию, т. е. надежность срабатывания.