книги из ГПНТБ / Печененко, В. И. Автоматика регулирования и управления судовых силовых установок учеб. пособие

тем, что после снятия возмущения максимальное отклонение ре­ гулируемой величины сохраняется. Время запаздывания находит­ ся по формуле (рис. 2 2 , в)

ва или среды, являющейся носителем энергии, достигается изме­ нением режима работы агрегатов, обеспечивающих их подачу (насосов, вентиляторов), либо дросселированием — изменением открытия регулирующего органа; наконец, возможно комбиниро­ ванное регулирование, использующее оба эти метода.

Метод регулирования выбирается в зависимости от экономиче­ ской и технической целесообразности. Например, подача воды в котел обычно регулируется комбинированным методом — измене­ нием открытия питательного клапана, при поддержании постоян­ ного перепада давлений на нем, что достигается изменением числа оборотов турбины питательного насоса. Возможно, но экономиче­ ски менее выгодно регулирование только изменением открытия питательного клапана.

Конструкции и характеристики регулирующих органов двига­ телей внутреннего сгорания, паровых турбин и многих других элементов судовой силовой установки рассматриваются в специ­ альных курсах. Ниже приводятся краткие сведения о дроссели­ рующих регулирующих органах.

Конструктивная характеристика регулирующего органа опре­ деляет зависимость изменения его проходного сечения от величи­ ны открытия (перемещения клапана, поворота заслонки и т. п.). Эта характеристика определяет только конструктивные особенно­ сти регулирующего органа. Обычно конструктивные характеристи­ ки линейные, но могут быть параболическими и логарифмическими.

Расходная характеристика определяет зависимость изменения расхода несжимаемой и невязкой жидкости от величины открытия регулирующего органа при условии неизменного перепада дав­ лений на нем.

Рабочая расходная характеристика является расходной харак­ теристикой с учетом поправок — на перепад давлений, сжимае­ мость и вязкость жидкости. Эта характеристика наиболее полно отражает особенности регулирующего органа, потока протекаю­ щей через него жидкости, режима работы ее источника и объекта регулирования.

В эксплуатационных условиях характеристики регулирующих органов будучи взаимосвязанными могут существенно изменять­

40

ся. Например, размыв топливорегулирующего клапана приведет к изменению конструктивной характеристики. При этом изменя­ ется также расходная и рабочая характеристики клапана.

Регулирующие органы оказывают воздействие на технологиче­ ские процессы, протекающие в объектах регулирования. Поэтому динамические свойства последних существенно зависят от харак­ теристик регулирующих органов.

Рассмотрим, например, влияние на устойчивость объекта с самовыравниванием только на подводе (см. рис. 15,6) двух ре­ гулирующих органов с различными расходными характеристика­ ми. Характеристика первого — 01 показывает, что клапан обеспе­ чивает подвод воды О мане при полном открытии и минимально до­ пустимом уровне, создаю­ щем максимальный перепад на клапане /1—/ім ш (рис. 23, а). Расходная ха­ рактеристика второго клапа­ на— ОН более крутая, что соответствует более крутой конструктивной характери­ стике. Этот клапан обеспечи­

вает GMaKc при частичном от­ крытии гп\ и Амин. Такой же расход можно обеспечить уменьшением перепада дав­ лений (увеличением Аміш ДО

Ац) и увеличением открытия клапана с т\ до тмакс- Ис­

пользуя уравнение (11) и зная величины Я и проходных сечений клапанов соответствующих гпмакс, получим характеристики подво­ да объекта, которые можно рассматривать как характеристику регулирующего органа, определяющую расход воды в зависимо­ сти от положения уровня при неизменном открытии клапана. Эти характеристики для полных открытий регулирующих органов, обес­ печивающих GManc при различных положениях уровня (более вы­ сокого Ац для второго клапана), показаны на рис. 23,6. Опре­ деление величины фактора устойчивости объекта регулирования по характеристикам подвода и отвода показывает, что при вто­

органа имеет большое значение для получения необходимых дина­ мических свойств САР.

Для обеспечения процесса автоматического регулирования объ­ екта необходимо, чтобы регулирующий орган имел характеристи­ ку с максимальным и минимальным расходами среды соответст­ венно больше и меньше определяемых максимальной и мини­ мальной нагрузками. Если, например, в рассматриваемом объекте нагрузка изменяется в пределах от 5 до 10 т/ч, то регулирующий орган должен обеспечить подачу воды менее 5 и более 10 т/ч при

41

необходимом положении уровня. Иначе, например, при резком увеличении нагрузки до максимальной уровень снизится и нельзя будет обеспечить его подъем до заданного значения.

В зависимости от расхода вещества и его свойств — давления, температуры, вязкости применяются самые разнообразные регули­ рующие органы. Для регулирования расхода воды, мазута, пара, масла, газов и воздуха (при давлениях выше 1 0 0 0 мм вод. ст.)

обычно используют клапаны тарельчатые с конической опорной поверхностью, игольчатые, золотниковые и со специальным про­ филем. При больших расходах и высоких давлениях применяют­ ся двухседельные уравновешенные клапаны. Различают клапаны прямого действия, обеспечивающие при движении штока вниз уменьшение проходного сечения, и обратного, увеличивающие.

Регулирование расхода воздуха и газов при давлениях менее 1 0 0 0 мм вод. ст. иногда осуществляется поворотными заслонками

круглого или прямоугольного сечения. Последние с одной или не­ сколькими поворотными заслонками. Заслонки не являются за­ порными органами, так как выполняются с существенными зазо­ рами между корпусом и подвижной частью, что исключает герме­ тичность.

§ 12. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА РЕГУЛЯТОРОВ

Состав измерительного устройства. В состав измери­ тельного устройства регулятора непрямого действия, кроме чув­ ствительного элемента (ЧЭ), задающего устройства (ЗУ) и эле­ мента сравнения (ЭС), может входить также преобразователь. Если входная величина усилительного устройства и выходная ве­ личина элемента сравнения неодинаковые, то последняя с помо­ щью устройства, называемого преобразователем, изменяется; на­ пример, перемещение преобразовывается в напряжение ■постоян­ ного тока или давление сжатого воздуха и т. п. (см. § 13).

Если выходной величиной ЧЭ является усилие, то ЭС выпол­ няется в виде рычажной системы или штока, а ЗУ служит пружи­ на, деформация которой позволяет просто и с высокой точностью устанавливать задание по регулируемой величине [(см. рис. 1, 7)]. Изменение задания осуществляется с помощью регулировочного устройства — гайки.

В пневматических регуляторах ЗУ обычно выполняются в ви­ де непроточных емкостей, в которых устанавливается давление, создающее на ЭС — мембране, усилие, равное усилию, создавае­ мому на ней давлением воздуха после чувствительного элемента.

ЧЭ конструктивно выполняются весьма различно. Классифи­ кация их чаще всего проводится по физической природе регули­ руемой величины, определяющей принцип действия, на следующие группы: давления, расхода, уровня, температуры и угловой ско­ рости.

Чувствительные элементы для измерения давления. Это плос­ кие и гофрированные мембраны, сильфоны, манометрические и ге­ ликоидальные пружины.

42

М е м б р а н ы из капроновой, шелковой и хлопчатобумажной ткани, пропитанной с обеих сторон маслом и бензостойкой рези­ ной, резины, кожи и фольги применяются для измерения разре­ жения, давления и разности давлений воздуха или неагрессивных газов в пределах от 0 до 1,5 кгс/см2. При измерении перепада дав­ лений герметичны обе полости корпуса мембраны, а при измере­ нии давления р или разрежения — только одна, к которой подво­ дится импульс, другая же сообщается с атмосферой. Прогибаясь под влиянием перепада давлений, мембрана через иглу оказыва­ ет воздействие, пропорциональное измеряемой величине, на после­ дующие элементы регулятора. Для увеличения перемещений мем­ браны, линейно зависящих от измеряемых величин, и устранения

гофром, обращенным впадиной в сторону действия измеряемого давления.

Обычно центральная часть мембраны зажата между металли­ ческими дисками, образующими жесткий центр. Благодаря этому мембранное полотно предохраняется от механических поврежде­ ний и увеличивается активная площадь мембраны, т. е, часть ее геометрической площади, определяющая величину усилия, разви­ ваемого на игле. Мембраны с жестким центром при прочих рав­ ных условиях создают большие усилия, чем свободные.

На рис. 24 показаны неупрутая натянутая мембрана без жест­ кого центра и мембрана с гофром и жестким центром. Применя­ ются также мембраны с жестким центром свободные и натяну­

(рис. 25). Усилие, создаваемое измеряемым давлением р на до­ нышке, с помощью иглы передается следующему элементу регу­ лятора. Для давления до 30 кгс/см2 сильфоны изготовляют из

томпака или полутомпака, а для более высокого — из бериллиевой бронзы или нержавеющей стали. В зависимости от величи­ ны давления и необходимой величины хода сильфоны выполняют однослойными либо двух-, трех- и четырехслойными, состоящими

43

из нескольких плотно насаженных друг на друга трубок. Много­ слойные сильфоны выдерживают значительно большие давления, чем однослойные того же диаметра, и при той же толщине стенки имеют меньшую жесткость.

Манометрические, или одновитковые, трубчатые п р у ж и н ы (рис. 26) — трубки эллиптического или овального сечения, изогну­ тые по дуге окружности и запаянные с одной стороны. Импульс­ ный трубопровод подводится к неподвижной части манометриче­ ской трубки. Запаянный конец трубки свободен, и его перемеще­ ние (угол ер раскручивания до 1 0 °), передаваемое следующему

элементу регулятора, пропорционально величине воспринимаемо­ го давления. Противодействующее усилие создается упругостью

манометрической пружины. Применяются для измерения давле­ ний от 1 до 500 кгс/см2 и более. Материал — латунь, фосфористая бронза и сталь.

Геликоидальные, или винтовые, трубчатые пружины имеют се­

Недостатком этого вида пружин является относительно малая жесткость, вследствие чего они склонны к вибрации.

Чувствительные элементы расхода. Измерение объемного рас­ хода жидкости и газа, протекающих по трубопроводу или каналу, осуществляется в судовых условиях преимущественно методом переменного перепада давлений на естественном или искусствен­ ном сопротивлениях. Таким образом, расходы измеряются косвен­ ным методом по перепаду давлений до и после постоянного со­ противления трубопровода или канала, по которому протекает среда. Естественными сопротивлениями могут быть, например,

циальные, заранее тарированные сопротивления выполняются в виде диафрагм, мультипликаторов и труб Вентури. ЧЭ измери­

44

тельных устройств расходов являются: при перепадах давления до 1 кгс/см2— ме мб р а н ы, а при более высоких — с ильфоны.

Чувствительные элементы уровня. П о п л а в к о в ы е ЧЭ уров­ ня основаны на принципе сравнения подъемной силы, выталки­ вающей из жидкости поплавок, и его веса (рис. 28). Они имеют большую нечувствительность из-за трения и люфтов в соедине­ ниях, в условиях качки дают ложные срабатывания, просты по конструкции, применяются главным образом в регуляторах пря­ мого действия.

Термостатические и термогидравлические ЧЭ уровня основа­ ны на линейном и соответственно объемном расширении тел при нагревании. Применяются при регулировании уровня воды в кот­

воды не зависящим от температуры).

Нижняя часть трубки заполнена слабо нагретой водой, а верх­ няя— насыщенным паром. Пар, конденсируясь в трубке, нагре­ вает воду. Но глубина этого прогрева невелика, и температура трубки в нижней части не будет изменяться вследствие низкой теплопроводности воды и хорошей отдачи тепла в окружающую среду. Длина термостатической трубки однозначно определяется средней температурой ее стенок, зависящей от положения уровня воды. При изменении уровня воды в котле соответственно изме­ няется длина трубки, обогреваемой паром, и перемещается ее сво­ бодный конец, воздействующий обычно на усилительное устрой­ ство регулятора.

Достоинствами термостатического ЧЭ являются простота кон­ струкции и значительные развиваемые им усилия, недостатками — чувствительность к температуре окружающей среды и большая тепловая инерция, определяющая отставание выходной величи­ ны — поворота рычага 1 сравнительно с входной величиной — уровнем в переходных процессах. Возможны ложные срабаты­ вания при изменении температуры окружающей среды.

Т е р м о г и д р а в л и ч е с к и й ЧЭ состоит из ребристой труб­ ки /, внутри которой помещена трубка 2, соединенная с паровым и водяным пространствами пароводяного барабана котла (рис. 30). Кольцевое пространство между трубками 1 я 2, а так­ же трубка 3, соединяющая его с мембранным исполнительным

45

механизмом, заполняются дистиллированной водой. При устано­ вившемся режиме работы уровни воды в котле и в трубках 1 н 2 находятся на одной высоте.

Тепло от котельного пара, находящегося внутри трубки 2, под­ водится к пару, заполняющему кольцевое пространство, и в таком же количестве отводится от него в окружающую среду. Баланс в подводе и отводе тепла обеспечивает постоянное давление па­ ра в кольцевом пространстве. Усилие, создаваемое давлением па­ ра на мембране (или сильфоне) исполнительного механизма, уравновешивается задающей пружиной 4, деформация которой определяет величину открытия питательного клапана.

Повышение уровня воды в котле приведет к повышению уровня в трубке 2. Тепловой баланс нарушится, так как поверхность труб­ ки 2, через которую подводится тепло к пару кольцевого прост­ ранства, уменьшится. Это вызовет частичную конденсацию пара, снижение давления в кольцевом пространстве и прикрытие пита­ тельного клапана. При снижении уровня в котле за счет допол­ нительного испарения воды в кольцевом пространстве давление в нем повысится и питательный клапан откроется на большую ве­ личину.

Термогидравлический чувствительный элемент конструктивно прост, надежен в эксплуатации, но имеет большую тепловую инер­ ционность.

М е м б р а н н ы й ЧЭ уровня (рис. 31) изготовляют из тонкого прорезиненного полотна. Принцип его действия основан на срав­ нении переменного уровня в котле с постоянным уровнем в кон­ денсационном сосуде 1. Сила, определяемая давлением, восприни­ маемым мембраной 2, равным высоте столба воды между уровня­ ми в котле и конденсационном сосуде, уравновешивается усилием задающей пружины 4 и весом груза 3, прикрепленного к мембране. Достоинствами мембранных чувствительных элементов являются

46

жающей среды. Это обеспечило широкое применение их для регу­ лирования уровня в котлах и многих других судовых объектах.

Чувствительные элементы для измерения температуры — это дилатометры, манометрические термометры, термопары и термо­ метры сопротивления.

Принцип действия д и л а т о м е т р а основан на неодинаковом линейном расширении при нагревании различных материалов. Дилатометр состоит из гильзы 1 и стержня 2, материал которых имеет различные коэффициенты линейного расширения, незначи­ тельно изменяющиеся под влиянием температуры (рис. 32). Контакт между гильзой и стержнем обеспечивается пружиной 3. При изменении тем­ пературы дилатометра на АѲ°С перемещение пе­ редаточной иглы, воздействующей на усилитель­ ное устройство, будет

Д /=(аі- а 2)/ДѲ,

ют объемножидкостные, основанные на расшире­ нии при нагревании жидкости, и парожидкостные, в которых ис­

пользуется зависимость давления насыщенных паров жидкости от ее температуры.

Входной величиной таких чувствительных элементов является температура, а выходной — усилие на донышке сильфона, опре­ деляемое давлением в термобаллоне.

Объемножидкостный ЧЭ представляет собой герметичную си­ стему, состоящую из термобаллона 1, сильфона 3 и соединяющей их капиллярной трубки 2 (рис. 33). Система полностью заполняется жидкостью (обычно глицерином), имеющей большой коэффициент объемного расширения и температуру кипения выше максимально измеряемой. Такие чувствительные элементы применяются при ре­ гулировании низких (40— 120° С) и медленно изменяющихся тем­ ператур, так как обладают большой инерционностью.

47

В парожидкостных ЧЭ замкнутая система частично заполня­ ется жидкостью, кипящей при измеряемой температуре; осталь­ ной объем занимает насыщенный пар наполнителя, давление ко­ торого определяется температурой среды (табл. 1 ).

Для уменьшения нечувствительности регулятора характеристи­ ка давления насыщенного пара наполнителя от температуры должна иметь наибольшую крутизну в области измеряемых тем­ ператур при относительно небольшой величине самого давления (менее 1 0 кгс/см2).

Обычно термобаллон измерителя находится в зоне, имеющей более высокую температуру, чем окружающая среда. В этих слу­ чаях расположение и конструкция термобаллона должны быть такими, чтобы насыщенный пар наполнителя не мог попасть в капилляр во избежание конденсации (капилляр заводится в тер­ мобаллон ниже уровня наполнителя). Если же термобаллон на­ ходится в зоне низких температур, то капилляр можно заполнить паром наполнителя. Инерционность парожидкостных измерителей значительна и увеличивается с относительным уменьшением по­ верхности термобаллона и увеличением его объема.

Г а з о в ы е ЧЭ предусматривают заполнение герметичной си­ стемы инертным газом, чаще всего азотом. Заполнение замкнутой системы возможно в судовых условиях, хотя давление в ней мо­ жет достигать 20 кгс/см2. Погрешность от колебаний окружаю­ щей температуры на 1° С составляет около 0,05° С.

Т е р м о п а р ы находят широкое применение главным образом в электрических и электронных регуляторах. При изменении тем­ пературы горячего спая Ѳі и постоянной температуре свободных концов Ѳг на последних возникает термоэлектродвижущая сила, величина которой зависит от разности температур (Ѳх — Ѳг) и материалов электродов термопары. Наибольшее распространение получили термопары из следующих материалов: медь-константан, хромель-копель, хромель-алюмель, платина-платинородий и т. п.

Термоэ.д.с. в спае определяется градуировочной характерис­ тикой, получаемой экспериментально.

Т е р м о м е т р ы с о п р о т и в л е н и я используют изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников, которое является выходной величиной элемента в зависимости от их температуры — входной величины.

48

Измерение температуры чувствительным элементом этого типа сводится к измерению электрического сопротивления термометра с помощью лагометра или уравновешенного моста.

Чувствительные элементы угловой скорости. Эти элементы часто выполняют в виде ц е н т р о б е ж н ы х м а я т н и к о в самых разнообразных конструкций. При изменении угловой скорости, на­ пример, двигателя изменяется угловая скорость вала 1 и цент­ робеленая сила грузов 3 (рис. 34). Последние перемещаются отно­ сительно вала вместе с муфтой 4, соответственно изменяя слсатие уравновешенной пружины 2. Муфта с помощью рычалшого устрой­

ИУ при повороте рычага сравнения по часовой стрелке «а угол а. Так как возмоленые углы а поворота рычага малы, можно поло­ жить, что tgocÄ^a. В равновесном состоянии измерительного уст­ ройства сумма моментов действующих на него сил относительно