книги из ГПНТБ / Львов Н.С. Автоматизация контроля и регулирования сварочных процессов

и замыкает контакт 1Р4. Кратковременный импульс тока пере­ ходного процесса заставляет сработать и сразу же отпустить реле РЗ. Так как размыкающий контакт 1Р1 продолжает оста­ ваться замкнутым, кратковременное замыкание контакта 1РЗ приводит к появлению тока в обмотке электромагнита Эм1 электрического дифференциала. Якорь магнита совершает одно

ну увеличения отсчета, сигнализируя о перемещении объекта в прямом направлении.

Дальнейшее перемещение объекта слева направо вызывает сначала срабатывание реле Р1 и размыкание контакта 1Р1, а затем срабатывание реле Р4 и размыкание контакта 1Р4. После этого все элементы счетчика принимают исходное положение. При перемещении объекта в обратном направлении счетчик вследствие полной симметричности схемы работает так же, как и в первом случае, с той лишь разницей, что импульс тока по­ дается на электромагнит Эм2, который перемещает указываю­ щую стрелку на одну единицу в сторону уменьшения отсчета, сигнализируя о перемещении объекта в обратном направлении.

Для контроля давления наиболее целесообразно применение емкостных датчиков, так как для большинства методов измере­ ния давления используются упругие элементы (мембраны, сильфоны и т. п.), дающие при деформировании малые перемеще­ ния. При этом упругий элемент может выполнять функции од­ ного из электродов датчика.

Контроль давления приобретает особо важное значение при сварке в контролируемой атмосфере. При изменении давления аргона от 0,01 до 11 кгс/см2 зазор, при котором дуга возбуж­ дается, уменьшается от 10 до 0,3 мм. Напряжение на дуге ра­ стет с повышением давления. Для измерения давлений ниже 1 кгс/см2 целесообразно использовать электрические вакуум­ метры различных типов — радиометрические, магнитоэлектроразрядные, «радиоактивные», теплоэлектрические и др. [1].

При необходимости дистанционного контроля давления, уси­ лия или перемещения можно применять индукционные переда­ чи плунжерного типа, используемые, например в дистанционных манометрах МЭД2306 и МЭД2307 (или МР-Э4), работающих совместно с дифференциально-трансформаторными приборами ЭПИД, ДСР, Д П Р , ДСМ или аналогичными типами потенцио­ метров. Ход плунжера 3—5 мм, точность измерения перемеще­ ний 0,5—1,5% [64, 73]. Для измерения угловых перемещений и дистанционной передачи показаний с точностью до 0,25—1° следует применять сельсины и «вращающиеся» трансформаторы [14, 72].

Для контроля размеров сварного шва или перемещении уз­ лов сварочного аппарата бесконтактным способом можно ис­ пользовать фотоэлектрические устройства, разработанные для

подобных целей в машиностроении [37]. Для получения особо точных результатов измерения следует использовать растровые фотоэлектрические системы [62]. В ряде случаев для контроля толщин и свариваемой заготовки и размеров сварного шва це­ лесообразно применение устройств, основанных на использова­ нии метода радиоактивных изотопов [46].

электродвигатель любого типа, но лучше малогабаритные дви­ гатели и микродвигатели постоянного тока серий ДПМ, ДПР ,

лее широкое применение получают частотозависимые дистанци­ онные устройства — частотные датчики типов ДТЭ, ДТ и ГПИ. Высокую точность измерения можно также получить при ис­ пользовании тахогенераторов трехфазного тока повышенной ча­ стоты (от 300 до 2400 гц) из серии ГИС. Их применение осо­ бенно эффективно в сочетании с цифровыми устройствами.

В тех случаях, когда нагружение вращающегося вала недо­ пустимо, следует использовать бесконтактные методы измерения скорости вращения. Применяя, например, строботахометр, мож­ но не только измерить угловую скорость, но и рассмотреть ме­ ханизм как бы в неподвижном состоянии в любой фазе движе­ ния. Однако строботахометр неработоспособен при малых ско­ ростях, а самое главное — не дает возможности использовать непосредственно результат измерения в системе автоматизации контролируемого процесса и не имеет выхода на регистрирую­ щий прибор. Недостатки эти можно избежать, если использо­ вать какого-либо типа датчик и соответствующее электронное устройство, преобразующее частоту следования импульсов в напряжение. Датчик может быть электромагнитный или емко­ стный, а на валу укрепляется легкий металлический флажокэкран. Однако наилучшим вариантом решения задачи будет та­

на подвижном механизме укреплен легкий флажок из любого светонепроницаемого материала, либо на нем нанесено несколь-

ко полосок белой или черной краской. Использование в усили­ теле такого устройства одного-двух транзисторов или элект­ ронной лампы позволяет получить сигнал, достаточный для ре­ гистрации и дальнейшего использования. Описания простых фотоэлектрических устройств, пригодных для той же цели, мож­ но найти в литературе [37]. Скорость вращения вала электро­ двигателя измеряют и без тахогенератора или тахометра — параметрическим методом. В цепь якоря двигателя включают три резистора, образующие мост, и подбирают их таким обра­ зом, чтобы напряжение на диагонали моста было пропорцио­ нально скорости вращения вала двигателя.

Расход материалов контролируют по скорости их подачи, ли­ бо по уровню заполнения ими некоторой емкости.

Наиболее просты конструктивно и удобны в эксплуатации механические уровнемеры, основанные на механических свойст­ вах контролируемой среды: действие выталкивающей силы на погруженное в среду тело (поплавковые); принцип сообщаю­ щихся сосудов (гидростатические); свойство среды оказывать давление на дно и стенки сосуда (пьезометрические). Механи­ ческие устройства используют в основном для контроля уровня жидкости [61].

Электромеханические уровнемеры, основанные на свойстве материала сопротивляться проникновению в их толщу какоголибо тела, применяют преимущественно для контроля уровня сыпучих и кусковых материалов. Электромеханические уровне­ меры громоздки и конструктивно сложны.

Наиболее компактны и удобны в эксплуатации электриче­ ские уровнемеры (омические, емкостные и индуктивные). Об­ щим для них недостатком является большая зависимость от нестабильности электрических свойств контролируемых матери­ алов, а также ненадежность работы в вязких и липких средах. В омических (кондуктометрических или электроконтактных) приборах использовано свойство электропроводности контроли­ руемого материала и замыкание через него электрической цепи. На этом принципе могут быть осуществлены только сигнализа­ торы, причем электрическое сопротивление материала должно быть не более 20 мом.

На рис. 10,а показана схема сигнализатора, который при лю­ бой неисправности в схеме (замыкании или обрыве) прекраща­ ет заполнение резервуара. Изготовляет его Свердловский опыт­ ный завод УНИХИМ. Его можно использовать для дозировки подачи флюса. В исходном состоянии, пока бункер еще не за­

вает прибор к работе своим контактом в первичной цепи транс­ форматора. При этом во вторичной цепи срабатывает реле по­ стоянного тока Р и своим контактом IP включает магнитный пускатель. По заполнении бункера цепь электродов замыкается

флюсом, шунтирует диод Д с резистором R1, в результате чего во вторичной цепи проходит переменный ток (мимо реле Р — через конденсатор С1), реле отпускает, отключается магнитный пускатель, и подача флюса прекращается. Такой сигнализатор пригоден для контроля материала с проводимостью не ниже 1-10~6 сим. Еще более высокой чувствительностью обладают сигнализаторы с электронными усилителями. Они более при­

Рис. 10. Схемы кондуктометрического (а), индук­ тивного (б) и фотоэлек­ трического (в) уровне меров

годны для контроля заполнения бункера материалами, по своим электропроводным свойствам близкими к диэлектрикам (проводи­

зовать приборы, основанные на диэлектрических, а не на элек­ троизоляционных свойствах материала, т. е- приборы, измеря­ ющие емкость среды.

Емкостные сигнализаторы уровня и уровнемеры применимы для контроля заполнения сосуда (бункера) материалами и не­ электропроводящими (диэлектриками) и электропроводными. Емкостные датчики в этих приборах включаются по мостовой или резонансной схемам. Следует учитывать, что при исполь­

тролируемого вещества, как температура, влажность, состав

и пр. В Институте автоматики и электротермии СО АН СССР

разработаны самокомпенсироваиные уровнемеры; состояние их измерительных схем не зависит от электрических свойств конт­ ролируемых веществ и от длины соединительных кабелей меж­ ду датчиком и прибором.

Индуктивные приборы контроля уровня по схеме несущест­ венно отличаются от емкостных приборов. Принципиальная разница — в датчиках. Расход защитного газа легко контроли­ ровать простым индуктивным датчиком (рис. 10,6). На рота­ метр одевается катушка индуктивного датчика Д на уровне за­ данного значения расхода. Поплавок ротаметра при изменении расхода входит или выходит из катушки, изменяя ее индуктив­ ное сопротивление. Датчик Д включен в мост. Резистором R3 мост балансируется при заданном расходе так, чтобы на выпря­ митель подавалось напряжение не более 1—2 в. Выходное на­ пряжение постоянного тока с моста компенсируется напряже­ нием батареи Е, регулируется резистором R7. Это позволяет при регистрации изменения расхода или уровня установить начало отсчета в любой точке шкалы самопишущего прибора, напри­ мер ЭПП-09, и нейтральное состояние системы сигнализации.

В тех случаях, когда необходимо контролировать расход или уровень веществ без введения внутрь сосуда каких-либо уст­ ройств, следует применять фотоэлектрические и радиоизотоп­ ные уровнемерыПервые из них применимы при возможности пользоваться ротаметром или водомерной трубкой, вторые — когда такой возможности нет.

Простейший фотоэлектрический сигнализатор уровня или

фоторезистор Ф (рис. 10,в). При положении уровня флюса, жид­ кости или поплавка ротаметра выше заданного уровня фототок еще недостаточен для срабатывания поляризованного реле Р1

ного засвечивается фоторезистор, уменьшается его сопротивле­ ние в 20—30 раз и срабатывает реле Р1, которое через проме­ жуточное реле РЗ и магнитный пускатель ПМ включает сигнальную аппаратуру (лампу ЛС и сирену ЗС) и отключает двигатель привода подачи флюса или вентиля подачи газа. Сни­ жение уровня или расхода прекращается. Для того чтобы выход из строя лампы Л не был воспринят при падении уровня или расхода ниже заданного как сохранение его выше установлен­ ной границы, она зашунтирована обмоткой реле аварийной за­ щиты Р2, которое срабатывает только при перегорании лампы Л

итолько в этом случае останавливает электродвигатель.

Воснове действия радиоизотопных уровнемеров лежит эф­ фект поглощения контролируемым веществом радиоактивного

излучения. Такие уровнемеры состоят из трех частей: источника радиоактивного излучения (чаще всего это радиоактивные изо­ топы цезия-137 или кобальта-60 с периодами полураспада со­ ответственно 33 и 5,3 года), приемника излучения (ионизацион­ ная камера или, чаще, счетчик Гейгера-Мюллера) и электриче­ ских блоков, выявляющих и преобразующих сигнал приемника в управляющее воздействие для системы сигнализации или ре­ гулирования. Радиоизотопные уровнемеры характеризуются высокой надежностью и удобством использования, так как не требуется внедрение их внутрь контролируемой жидкости. Для непрерывного дистанционного измерения уровня вещества в за­ крытых объемах можно использовать выпускаемые промышлен­ ностью «радиоактивные» уровнемеры типа УР-8, сохраняющие работоспособность при толщине стальной стенки до 70 мм и имеющие погрешность не более ±0,5% в диапазоне 0—1 м.

Контроль расхода твердых материалов, жидкостей и газов часто сопровождается их дозированием. В сварочном производ­ стве это требуется при изготовлении электродов, флюса и в са­ мом технологическом процессе сварки. Например, автоматиза­ ция дозирования компонентов шихты в производстве сварочных электродов осуществляется на Московском электродном заводе.

3. ТЕМПЕРАТУРА

На контроль температуры при сварке должно быть обраще­ но особое внимание, поскольку почти все способы сварки ме­ таллов основаны на нагреве свариваемых изделий в зоне их соединения.

Существует три метода измерения температуры твердых тел: радиационный, яркостный и цветовой. Известно, что излучательная способность нагретых-тел и особенно газовых сред за­ висит не только от их температуры, но и от коэффициента из­ лучения, от размеров тела, от происходящих в нем химических процессов, от конкретных условий. Поэтому целесообразно про­ водить предварительное исследование и анализ свойств контро­ лируемого объекта. Следует учитывать, что все оптические методы в отличие от контактных методов измерения темпера­ туры применимы только при термическом характере излучения^ т. е. когда имеется определенная связь между температурой и излучением. Никакой метод измерения температуры не дает ее истинного значения, а получаемая псевдотемпература отличает­ ся от истинной на величину ошибки, зависящей от метода изме­ рения, а при оптических методах еще и от используемой обла­ сти спектра.

Температуру измеряют с помощью чувствительных элемен­ тов и датчиков, преобразующих ее в некоторую другую физи­ ческую величину за счет изменения электрической проводимости вещества, возникновения контактной т. э. д. с , теплового рас-

ширения или изменения давления. Приборы визуального конт­ роля температуры (пирометр с исчезающей нитью) непригодны для автоматизации. Перспективными являются приборы, в ко­ торых в качестве чувствительного элемента использованы тер­ морезисторы, термопары и фотоэлементы, причем особенно по­ следние, как наименее инерционные.

Электроконтактные термометры. Наиболее простыми датчи­ ками температуры являются электроконтактные датчики типов ТК и ТКМ с ртутными чувствительными элементами. В них из­ менение объема ртути, вызванное изменением контролируемой температуры, приводит к закорачиванию двух контактов, впа­ янных или погруженных в капиллярную трубку на определен­ ном уровнеДиапазон контролируемых температур контактных термометров распространяется от 0 до 300° С, зона нечувстви­ тельности их 1—3°, допустимая нагрузка на контактах 2 вт при напряжении 6 е.

менения температуры используют в электроконтактных термо­

витковой, спиральной или геликоидальной) и передаточного ме­ ханизма со стрелкой на выходе. Стрелка замыкает устанавли­

основаны на использовании эффекта различной степени расши­ рения разных металлов при изменении температуры. Они состоят из двух элементов, изготовленных из материалов с раз­ личными температурными коэффициентами линейного расшире­ ния а,[ и аг. В биметаллических датчиках типа ДИКМ элемен­ ты представляют собой две спаянные между собой пластинки, закрепленные одним концом. В результате нагрева происходит изгиб конструкции и замыкание (размыкание) контактов. Их рабочий диапазон от —30 до +50°С. У дилатометрических дат­ чиков типов ТР-200, ДЖК-2, АД-155м чувствительным элемен­ том является патрон, например из дуралюмина с ai=23-10~6 ljград, внутри которого размещен шток из другого материала, например, инвара с а 2 = Ы 0 ~ 6 \/град- Рабочий диапазон датчи­ ков 25—200° С, а у АД-155м —60—+ 255° С.

Самым ненадежным и недолговечным узлом электрокон­ тактных датчиков являются контакты. Для повышения срока

службы и надежности контактов рекомендуется использовать усилители, например, поляризованные электромагнитные реле. Целесообразно использование транзисторных усилителей. На рис. 11 показана схема одного такого усилителя на составном транзисторе Т1-Т2. В цепи контакта КТ сила тока не превы­ шает 1 ма (при подборе транзисторов с коэффициентами усиле­ ния по току 12 и 20). В коллекторную цепь выходного транзи­ стора включается мощное реле или сигнальная лампа Л1.

Рис. 11. Схема усилителя для электроконтактных термометров

Электроконтактные термометры позволяют контролировать температуру с точностью до 2—5° С, но могут быть использо­ ваны как собственно датчики только при переходе ее за уста­ новленные пределы. Их, таким образом, можно применять толь­ ко в системах двухпозиционного регулирования. Более широкое применение имеют термометры сопротивления, принцип дейст­ вия которых основан на зависимости электрической проводимо­ сти металлов и полупроводников от их теплового состояния.

Термометры сопротивления позволяют контролировать тем­ пературу до 1250° С. Омическое сопротивление терморезисторов зависит от интенсивности теплообмена их с внешней средой. Влияют при этом геометрические размеры, форма, материал те­ ла и арматуры терморезистора, а также состав, плотность, вяз­ кость, теплопроводность, скорость перемещения и температура контролируемой среды. Таким образом, теплообмен между на­

известны, можно получить почти однозначную зависимость со­ противления терморезистора от температуры среды.

Проволочные термометры сопротивления конструктивно представляют собой фарфоровый стержень с намотанной на нем проволокой, защищенной металлическим кожухомТочность их 0,5—1%. Большей линейностью характеристики отличаются медные термометры. Если через Ro обозначить сопротивление терморезистора при 0°С, то при контролируемой температуре Т:

В последнее время разработана технология изготовления терморезисторов из платиновой проволоки диаметром 0,02 мм, намотанной на стеклянную трубку диаметром 2—5 мм и оплав­ ленной снаружи также стеклом, так что в целом они имеют размер (3—4) X (Ю—15) мм и сопротивление 100—120 ом. Наи­ более перспективны термосопротивления из золоченой вольфра­ мовой проволоки.

Проволочные термометры сопротивления включают преиму­ щественно в мостовые схемы. Наилучший способ включения — по трехпроводной схеме. Пример такого включения термометра в автоматический уравновешиваемый мост показан на рис. 12,а. Два провода, соединяющие термометр с мостом, входят в плечи моста, а третий в диагональ питания. Это позволяет существен­ но уменьшить погрешности от изменения сопротивления соеди­ нительных проводов при изменении температуры среды.

Большие удобства дает применение логометра — двухрамочного магнитоэлектрического прибора для измерения сопро­ тивления путем сравнения двух токов. Внутри корпуса логомет­

Полупроводниковые терморезисторы — термисторы имеют преимущества перед проволочными термометрами сопротивле­ ния: они малогабаритны, обладают в 5—10 раз более высокой чувствительностью (отрицательной по сравнению с проволоч­ ными термосопротивлениями) и точностью до 0,1 °С, имеют не­ большую стоимость. Из большого числа термисторов, выпуска­ емых отечественной промышленностью, для контроля и регули­ рования температуры наиболее подходящими являются термисторы типов КМТ (кобальто-марганцевые) и ММТ (мед- но-марганцевые). Рабочий диапазон их достигает 180—120° С. Срок службы термисторов приблизительно 5000 ч.

постоянных сопротивлений можно получить характеристику це­ пи желаемого вида.

Наиболее простой схемой включения термисторов является

противление 920 ом). Для измерения температуры в диапазоне 50—150° С термистор нужно заменить на КМТ-14 с ^20 = 35 ком, а резисторы Rl, R3 и R4 соответственно на 1 ком, 1 ком, 510 ом. Резисторы R1-R4 в мосте должны быть термостабильными, поэтому рекомендуется изготовить их, например, из манганина. Целесообразно также включение термисторов с логометром (см рис. 12,б).

Для контроля и регистрации температуры и разности темпе­ ратур разработано большое число автокомпенсационных прибо­ ров переменного тока- В основе их лежат, например, бескон­ тактные компенсирующие преобразователи (БКП), позволяю­ щие повысить точность измерения до 0,5—0,25%, надежность и быстродействие. Компенсаторы с бесконтактными преобразова­ телями надежнее приборов с реохордами, применимы в различ­ ных климатических и производственных условиях, в агрессивной среде. Разность температур измеряют с помощью приборов типов КБ-012 и КБ-023 (второй многоточечный), в качестве чув­ ствительных элементов используют термисторы.

Стандартные полупроводниковые диоды и триоды специаль­ но не предназначены для контроля температуры, но и они вслед­ ствие большой чувствительности электронно-дырочного перехо­ да к изменению температуры могут быть использованы в дат­