книги из ГПНТБ / Боронихин А.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятиях промышленности строительных материалов учеб. для техникумов
.pdfНапряжение АU, равное разности э. д. с., наводимых во встречно включенных обмотках.
Ферродинамический параметрический преобразователь (рнс. 1.3) состоит из магнитопровода /, на котором расположена обмотка воз буждения 2, и подвижной катушки (рамки) 3, закрепленной на оси. Катушка (рамка) 3 находится в воздушном зазоре магнитопровода. При подаче в обмотку возбуждения переменного тока в магнитопроводе и воздушном зазоре создается переменный магнитный поток. Если катушка расположена в воздушном зазоре вертикально, то магнитные линии проходят вдоль катушки и э. д. с. в ней не воз никает.
Катушка соединена с чувствительным элементом, измеряющим параметр. При повороте катушки магнитное поле индуктирует в ней э. д. с. Угол поворота меняет величину э. д. с., получаемую с преобра зователя. Если катушка займет горизонтальное положение, то ве личина переменного магнитного потока, пронизывающего ее, а сле довательно, и наведенная в ней э. д. с. будут максимальными. Ин дуктивные преобразователи обладают достаточно высокой чувстви тельностью.
Емкостные параметрические преобразователи (рис. 1.4), так же как и индуктивные, имеют высокую чувствительность, т. е. при ма лых перемещениях подвижной части емкостного преобразователя происходит резкое изменение емкости. Это видно из формулы для подсчета емкости плоского конденсатора:
где С — электрическая емкость; е — диэлектрическая проницаемость среды; S — площадь пластин конденсатора; б — расстояние между пластинами.
В наиболее распространенных типах емкостных преобразователей используют зависимость электрической емкости С от расстояния между пластинами конденсатора б.
Емкостные параметрические преобразователи позволяют изме рять очень малые перемещения — примерно 10~7 мм.
§ 1.5. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Электрические параметры фотоэлектрических преобразовате лей (сопротивление, напряжение) изменяются в зависимости от из менения освещенности. Наибольшее распространение в качестве таких преобразователей получили полупроводниковые фотосопро тивления.
Фотосопротивление состоит из светочувствительного слоя полу проводника 1 (рис. 1.5) толщиной около 1 мкм, нанесенного на стек лянную (или кварцевую) пластинку 2. На поверхности полупровод ника укреплены токосъемные электроды 3. Чувствительный к свету
Ю
'элемент с токосъемными элект родами монтируют в пластмас совом корпусе. Выступающие электроды обеспечивают вклю чение фотосопротивления в схе му. При освещении электриче
ское сопротивление фотосопро тивления резко падает и, следо вательно, ток в . электрической
цепи, в которую включено фотосопротивление, возрастает. Мерой чувствительности фотосопротивления является разность то ков в темноте и на свету, отнесенная к величине светового потока, падающего на фотосопротивление. Чувствительность фотосопротив лений во много раз больше чувствительности фотоэлементов. Фото сопротивления — это практически безынерционные преобразо ватели.
§ 1.6. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Пневматические преобразователи получили большое распростра нение в связи с возможностью создания взрывобезопасной системы измерения. В этой системе дистанционной передачи показаний конт ролируемая величина преобразуется в давление воздуха, передава емое на вторичный прибор. Дальность передачи при применении пневматических систем достигает несколько сотен метров. Для пе редачи показаний используют сжатый воздух, предварительно очи щенный и осушенный. Измерительный прибор, оборудованный уст ройством пневмопередачи, будет являться первичным прибором.
Основной частью пневматических преобразователей является система (узел) «сопло — заслонка» (рис. 1.6). Сжатый воздух под давлением 0,14 МПа (1,4 кгс/см2) поступает через редуктор в труб ку / и далее через дроссель 2 направляется в камеру 3. Из камеры часть воздуха через сопло 4 может удаляться в атмосферу, а осталь ная часть по трубке 5 направляется к вторичному прибору. Сопло 4 представляет собой трубку с выходным отверстием, диаметр которого
.0,2—0,5 мм. Дроссель 2 также выполнен в виде трубки, площадь сечения отверстия которой примерно в четыре раза меньше, чем у сопла. Выходное отверстие сопла прикрывается заслонкой 6, которая связана с измерительной системой и может приближаться или, наоборот, отходить от сопла под действием измерительного элемента 7. Чем ближе заслонка к соплу, тем меньше воздуха выходит в атмосферу и тем, следовательно, больше давление в камере 3. Когда заслонка полностью прикроет отверстие, давление в камере
будет равно |
входному. При отходе заслонки |
от сопла давление в |
||
камере будет падать. |
Расстояние, которое должна пройти заслон |
|||
ка, чтобы |
давление |
в камере стало |
равным |
атмосферному, со |
ставляет 0,2—0,25 диаметра отверстия |
сопла. |
|
||
П
Пневматические преобразователи обладают высокой точностью. Классы их точности 0,6, 1 и 1,5. Преобразователи построены по блоч ному принципу с использованием унифицированного пневмосило вого преобразователя, который позволяет путем сочленения с раз личными чувствительными элементами измерять практически любые технологические параметры и преобразовывать их в стандартный пневматический сигнал, равный 0,02—0,1 МПа (0,2—1 кгс/см2).
Принцип действия пневматического преобразователя основан на пневматической силовой компенсации. На рис. 1.7 показана
Рис. 1.6. Система «сопло—за слонка»
а — схема; б — график действия
принципиальная схема унифицированного пневмосилового преобра зователя. Измеряемый параметр воздействует на чувствительный элемент измерительного блока 1 и преобразуется в пропорциональ ное усилие Р, которое через рычажную систему 2 пневмосилового преобразователя уравновешивается усилием Р 0. с — сильфона об ратной связи 3. При изменении измеряемого параметра и, следова тельно, усилия Р происходит незначительное перемещение рычаж ной системы и связанной с ней заслонки 4 относительно сопла 5. Индикатор рассогласования типа «сопло—заслонка» преобразует это перемещение в управляющий сигнал давления сжатого воздуха, поступающего на вход пневматического усилителя 6. Выходной сигнал из усилителя поступает в линию дистанционной передачи и одновре менно в сильфон обратной связи 3 пневмосилового преобразоватетеля, где преобразуется в пропорциональное усилие Р, которое через рычажную систему 2 уравновешивает измеряемое усилие Ро, 0 от измерительного блокй. Таким образом, мера измеряемого
12
усилия Р — текущее значение величины выходного сигнала преоб разователя, необходимое для создания уравновешивающего усилия обратной связи Р0, с. Настраивают преобразователь на заданный диа пазон измерения изменением передаточного отношения рычажной системы 2, достигаемым при перемещении опорной призмы 7 вдоль рычагов этой системы.
Начальное значение выходного сигнала преобразователя 0,02 МПа (0,2 кгс/см2) устанавливают при помощи пружины кор ректора нуля 8. Усилитель преобразователя работает на очищенном
Рис. 1.7. Схема пневматического преобразо- |
Рис. 1.8. Схема токового пара- |
вателя |
метрического преобразователя |
воздухе давлением 0,14 МПа (1,4 кгс/см2). Предельное расстояние передачи пневматического сигнала по трубке внутренним диаметром 6 мм составляет 300 м. Первичные приборы с унифицированным пневмосиловым преобразователем могут работать с любыми пнев матическими вторичными приборами, регулирующими блоками и другими устройствами пневмоавтоматики.
§ 1.7. ТОКОВЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Принцип действия токовых преобразователей основан на преобра зовании измеренного параметра в сигнал постоянного тока, т. е. при измерении технологического параметра, например давления, они преобразуют этот неэлектрический параметр в сигнал постоянного тока величиной 0—5 мА или 0—20 мА.
На рис. 1.8 показана упрощенная принципиальная схема токо вого преобразователя. Измеряемый параметр воздействует на чувст вительный элемент измерительного блока 1 и преобразуется в уси лие Р, которое через рычажную систему 2 электросилового преобра зователя уравновешивается усилием Р0. с магнитоэлектрического устройства обратной связи.
При изменении усилия Р перемещается рычажная система 2 и связанный с ней управляющий флажок 3 индикатора рассогласо вания 4. Индикатор рассогласования преобразует это перемещение в управляющий сигнал — напряжение переменного тока, который
13
поступает на вход электронного устройства 5. Выходной сигнал постоянного тока от электронного устройства поступает в линию дистанционной передачи и одновременно в последовательно соеди ненную с ней обмотку рамки 6 магнитоэлектрического устройства 7. Поступивший сигнал преобразуется в усилие обратной связи Р0, с. Это усилие через рычажную систему 2 уравновешивает вход ное усилие. Настраивают преобразователи на заданный диапазон измерения, изменяя передаточное отношение рычажной системы 2 перемещением призмы 8. Точно начальное значение выходного сигнала устанавливают при помощи пружины 9 корректора нуля.
§ 1.8. УСИЛИТЕЛИ
Усилители — это промежуточные элементы автоматических си стем, предназначенные для усиления (иногда для преобразования) входных величин. Различают усилители релейного и пропорцио нального действия. К усилителям релейного действия относятся электрические, пневматические и гидравлические реле. Усилители
Рис. 1.9. Магнитный усилитель
а — схема; б — характеристика работы
пропорционального действия обычно бывают магнитные, электрон ные и электромагнитные. Основной характеристикой усилителя является его коэффициент усиления. Коэффициент усиления К — это отношение выходной величины к входной величине. Различают коэффициенты усиления по мощности, напряжению, току, скорости или расходу воздуха, масла и т. д.
Остановимся на работе магнитного усилителя, так как этот уси литель применяют в качестве отдельного элемента во многих совре менных бесконтактных системах автоматики. Магнитный усилитель представляет собой ферромагнитное устройство переменного тока, индуктивность которого меняется в широких пределах при подмагничивании дросселя постоянным током. Таким образом, вход —
14
напряжение постоянного тока, выход — напряжение переменного тока, если не предусмотрены выпрямители на выходе. Магнитные усилители обладают рядом преимуществ, в частности, у них высокие коэффициент усиления и эксплуатационная надежность.
Простейший магнитный усилитель представляет собой дроссель с двумя обмотками (рис. 1.9): одна из них wx питается постоянным напряжением и называется управляющей, или входной, а другая w2 включена в сеть с переменным напряжением и называется управ ляемой, или выходной. Обмотка wt подключена к источнику посто
янного напряжения |
U —, имеет число витков wlf сопротивление |
R 1 и индуктивность |
Lx. Через обмотку проходит ток / —. Обмотка |
w2 подключена к источнику переменного напряжения і/~ , имеет число витков а>2 , сопротивление R 2 и индуктивность Ь2. Через эту обмотку проходит ток / ~ . В обмотку включено сопротивление zH.
Ток в обмотке w2 определяют по уравнению
______ и______
7~ = % ~ ]/R l +(wL%+xH) ’
где R 0 — активное сопротивление обмотки w2\ хн — реактивное сопротивле ние нагрузки гн; L2 — индуктивность обмотки w2, связанная с магнитной про ницаемостью и соотношением
0,4яю | S
L t = — ------ 1X1
здесь S u l — площадь сечения и длина средней линии магнитопровода — сердечника дросселя.
Магнитная проницаемость р зависит от напряженности магнит ных полей, создаваемых соответственно переменным и постоянным током. Изменение р вызывает изменение индуктивности Ь2 обмотки w2, что в свою очередь приводит к изменению тока / ~ . Таким обра зом осуществляется связь между изменением входного тока I — и выходного I—. Зависимость р от / — и / —показана на рис. 1.9, б. При изменении величины постоянного тока в обмотке управления меняется значение переменного тока в выходной цепи и величина падения напряжения на нагрузочном сопротивлении zH.
Магнитные усилители широко применяют в измерительных схе мах различных устройств, а также для бесконтактного управления различными электрическими исполнительными механизмами. Если не приняты специальные меры, то наличие индуктивностей обуслов ливает большую инерционность магнитных усилителей.
Г Л А В А II
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
§ II.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДАВЛЕНИИ
Под давлением понимают силу, воздействующую на единицу поверхности и перпендикулярную последней. В качестве единицы измерения давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль Па. Так как эта единица очень мала, то для практических расчетов рекомендуется применять кратные единицы, например килопаскаль кПа = 10s Па или мегапаскаль МПа = ІО6 Па. За висимость между единицами измерения давления следующая:
|
0,1 МПа = 1 кгс/см2 = |
ІО4 |
мм вод. ст. — 735,6 мм рт. ст. |
Различают следующие виды давлений: |
|||
1) |
атмосферное — давление |
окружающего нас воздуха; |
|
2) |
избыточное — давление |
выше |
атмосферного; |
3) вакуум — давление ниже атмосферного.
Под абсолютным давлением подразумевается полное давление, под которым находится газ или жидкость. Избыточное давление равно разности между абсолютным давлением и давлением атмосфе ры, его измеряют манометром. Во всех расчетных формулах, как правило, применяют абсолютное давление.
Для определения давления используют приборы:
1)барометры, измеряющие атмосферное давление;
2)манометры, измеряющие давление выше атмосферного;
3)вакуумметры, измеряющие давление ниже атмосферного — разрежение;
4) мановакуумметры, измеряющие и давление, и разрежение;
5)напоромеры, измеряющие малые давления;
6)тягомеры, измеряющие малые разрежения;
7) тягонапоромеры, служащие для измерения малых давлений
иразрежений;
8)дифференциальные манометры, измеряющие разность давле ний в двух точках.
По принципу действия измерители бывают:
1)жидкостные — величину давления определяют по высоте стол ба жидкости, уравновешивающей это давление;
2)механические — давление определяют по величине деформа ции пружины или мембраны;
3) |
поршневые — давление определяют по величине |
груза; |
4) |
пьезоэлектрические — давление определяют по |
изменению |
электрического сопротивления пьезокристалла.
16 |
„ * |
§ 11.2. ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРЫ
Жидкостные манометры широко применяют для измерения ма лых давлений — до 0,2 МПа (2 кгс/см2). Они бывают U-образные, чашечные, с наклонной трубкой, типа «кольцевые весы», поплав ковые и колокольные. Жидкостные манометры просты в изготов лении и обладают достаточно высо
кой точностью показаний. Жидкостные манометры пред
ставляют собой два сообщающихся сосуда, заполненных рабочей жид костью (вода, ртуть, глицерин и т. п.). Один из сосудов соединен с пространством, в котором тре буется измерить давление, а вто рой — с атмосферой (или с другой точкой, если требуется измерить разность давлений в двух точках). При наличии разности давлений над уровнями рабочей жидкости последняя перемещается до установления равновесия.
Рис. II.1. U-образпый жидкост |
Рис. П.2. Схема однотрубного |
ный манометр |
чашечного манометра |
U-образные жидкостные манометры состоят из стеклянной труб |
|
ки 1 (рис. II. 1), заполненной |
рабочей жидкостью и снабженной |
шкалой 2, по которой отсчитывают разностьгвысот уровней жид кости в сообщающихся коленах. Их применяют главным образом для измерения небольших давлений, разрежений и рядц^тай-дортш.
Г .-с. губі- |
I |
27 |
н ::> ч к .;-т О.' !>.; ,в|М |1 |
|
|
библиотека |
С С С Р |
|
сизсглпдс:’ ' ГЛЛЫ Ь
ний при различных испытаниях. В связи с простотой устройства эти манометры можно легко изготовить на месте силами заводской лаборатории.
На U-образных манометрах ведут отсчет в миллиметрах водяно го или ртутного столба. Если для замера давления в манометр за ливают жидкость с иной плотностью, чем вода, тогда давление пере считывают по формуле
Р = Ну,
где Н — разность уровней рабочей жидкости в см; у — плотность рабочей жидкости в кг/см3.
Для правильного отсчета показаний манометра необходимо, чтобы он был установлен строго по вертикали. Жидкость, заполня ющую манометр, подкрашивают. Нулевая точка шкалы перед отсче том и вершины менисков в обоих коленах должны лежать на одной прямой. Если замеряемое давление ниже атмосферного, то жидкость будет перемещаться из правого колена в левое. Разность высот уров ней жидкости в этом случае характеризует величину разрежения.' Таким образом, U-образный манометр может служить и вакуум метром.
Если манометр служит для измерения разности двух давлений рі и р2 >то его называют дифференциальным манометром или, сокра щенно, дифманометром
Pi — Р2 = Ар-
Пределы измерения манометра не зависят от площади сечения трубки, но чтобы не было заметного искажения уровня за счет ка пиллярного сцепления жидкости со стеклом, диаметр трубки должен быть не менее 4—6 мм.
Однотрубный чашечный манометр (рис. II.2) отличается от U- образных приборов тем, что трубка 1 расширена. Принцип действия приборов этого типа также основан на уравновешивании измеряемого давления (разрежения) гидростатическим напором столба жидко-
18
сти 2. При измерении давления полость над чашей соединяют с изме ряемой средой, а трубку 3 — с атмосферой. С достаточной точ ностью можно считать, что измеряемое давление равно:
р=М 1+!)-
где h — высота подъема рабочей жидкости над нулевой отметкой; ST — пло
щадь отверстия трубки; Sc — площадь сечения сосуда; у — плотность жид кости.
У колокольных маномет-
«кольцевые весы» |
|
метра: |
2 |
|
|
||
/ — поплавковый (плюсовый) сосуд? |
|
— смен |
|||||
ный (минусовый) сосуд; |
3 |
— стальной8 |
поплавок; |
||||
4 |
5 — ось; |
6 |
— U-образная |
|
|
трубка; |
|
9 — рычаг; |
|
— |
|||||
7 — предохранительный |
|
клапан; |
пробка; |
||||
— арретир |
для транспортирования |
|
прибора |
||||
ние ниже атмосферного. При этом рычаг 2 смещается и при помощи соединительной тяги 3 поворачивает секторный механизм 4 и стрел ку 5. Момент, создаваемый колоколом, уравновешивается моментом, создаваемым грузом 6.
Манометр типа «кольцевые весы» представляет собой полое коль цо, заполненное жидкостью (рис. II.4). В верхней части кольцо имеет перегородку. При равенстве давлений в обеих полостях коль ца жидкость располагается в кольцевой трубке 1 на одном уровне, уравновешивающий груз 2 занимает среднее отвесное положение
19