книги из ГПНТБ / Толшин В.И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок учебник
.pdfкак регулируемая величина не приходит к новому установившемуся значению, то самовыравнивание отсутствует (|}=0). Уравнение ди намики объекта для этого случая имеет вид
Та |
= x ( t — т0б) (Л06= 1 ). |
Ьм, /о
Рис. 2.13. Разгонные характеристики котла как объекта регулирования уровня воды
Величина тоб определяется способом, изложенным выше. Кроме того, находится отношение еоб скорости изменения регулируемой величины к изменению входной.величины. Величина Та опреде ляется по формуле
У ном |
ъ |
где еоб = —-т- |
|
®об^ном |
|
В примере рис. 2.13 Х= Д/гкл. |
|
Глава 3
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
§ 3.1. Классификация элементов. Требования к элементам
Элементы регуляторов и устройств управления можно разде лить на: чувствительные или измерительные, преобразовательные, усилительные, исполнительные, логические, элементы обратных связей.
Несмотря на различие в назначении перечисленных элементов, к их конструкции предъявляется ряд общих требований:
малый вес и габариты (элементы систем не должны сущест венно увеличивать вес и габариты энергетических установок);
надежность работы, в том числе и при условиях, в которых ра ботает основное оборудование, т. е. при соответствующих темпе ратурах, влажности, вибрациях, ударах и т. п.;
относительная простота устройства, удобство обслуживания; малая инерционность и линейность статических характеристик
(для линейных САР).
Среди всех перечисленных требований наиболее важное значе
ние имеет требование |
надежности, |
которое |
рассматривается |
в § 3.5. |
автоматики |
по своему |
конструктивному |
Все элементы систем |
выполнению могут быть подразделены на механические, пневмати ческие, гидравлические и электрические.
Вопросам конструкции различных элементов автоматики посвя щен ряд монографий и справочников [1, 11, 21 и др.].
§ 3.2. Измерительные (чувствительные), преобразовательные элементы и датчики
Назначение, уравнения динамики и классификация
Назначение измерительных элементов — измерение регулируе мых величин с целью передачи сигналов на преобразовательные,
4* |
51 |
усилительные и исполнительные элементы системы. Поэтому, очень
важно, чтобы такие элементы обеспечивали заданную точность измерения.
Измерительный элемент должен создавать сигнал, достаточный по величине для передачи его на звенья, следующие за измери тельным элементом, и должен с наименьшей инерцией реагировать на изменение измеряемой величины.
В ряде случаев перед измерительным элементом ставится за дача не измерять регулируемую величину, а лишь выдавать сигнал, свидетельствующий о том, что величина, которую назовем контро лируемой, превосходит или не превосходит определенное значение. Такие измерительные элементы принято называть чувствитель ными (ЧЭ). В целях упрощения в дальнейшем под чувствительным элементом будет подразумеваться и измерительный элемент.
Одним из основных показателей ЧЭ является его чувствитель ность. Чувствительностью К называют отношение изменения вы ходной величины элемента Дх2 и входной Ах,:
К — дЛ'а- или К- |
с1х% |
Ах, |
ctx[ |
Величина К может быть получена как тангенс угла наклона статической характеристики ЧЭ к оси абсцисс.
Под чувствительностью элемента понимают также отношение изменения выходной и входной величин в их относительных зна чениях:
Д- _ Ах._) |
_ Ах, |
_ ■Ущцц |
Д-^2 |
-'-гном |
-'-том |
х 2мом |
Ах, |
где х 1ном и х 2110М— выбранные номинальные или базовые значе ния входной и выходной величины.
Понятие чувствительности эквивалентно понятию коэффициента усиления ЧЭ.
Статические характеристики реальных ЧЭ, как правило, отли чаются от линейных наличием нечувствительности и непрямолинейности, определения которых применительно к статическим харак теристикам САР рассматривались в гл. 1.
Одним из важных требований к чувствительным элементам является прямолинейность статической характеристики. Величины, непрямолинейности и нечувствительности должны быть минималь ными. Величину чувствительности желательно иметь максимально возможной, так какэто позволяет уменьшить габариты и стои мость усилительных механизмов и всей системы.
При анализе конструкций чувствительных элементов должны быть выявлены не только их статические характеристики, но и динамические свойства, влияющие на процесс регулирования на переходных режимах. Как правило, динамика ЧЭ в результате
52
линеаризации нелинейностей описывается дифференциальным уравнением 1-го порядка вида
где Т — постоянная ЧЭ, имеющая размерность времени (сек, мин)\ k — коэффициент усиления.
При ступенчатом изменении х\ на величину Х\ 0 получим
Когда t = T, *2= 0,63 k x 10.
Экспериментальное определение величины Т может быть про изведено путем ступенчатого изменения Xi и осциллографирования *2- Отрезок времени от момента начала переходного процесса до момента, когда *2= 0,63 kx\ о, будет равен величине Т.
Динамика чувствительных элементов, основанных на примене нии упругих элементов, описывается уравнением 2-го порядка.
Широкое применение в системах автоматики находят датчики, представляющие собой единую конструкцию чувствительного эле мента и преобразовательного элемента, преобразующего сигнал чувствительного элемента в электрический выходной сигнал.
По конструктивному устройству датчики делятся на контактные и бесконтактные. В контактных датчиках применяются чувстви тельные элементы с механической выходной величиной, в бескон тактных — с электрической выходной величиной.
Контактные и бесконтактные датчики могут быть дискретными и непрерывными (пропорциональными). В дискретных датчиках имеются преобразователи релейного типа одностороннего и дву стороннего действия. Включение последнего происходит при откло нении измеряемой величины от установленного значения в обе стороны. В датчиках непрерывного (пропорционального) действия чувствительный элемент соединен с преобразовательным, на вы ходе которого сигнал пропорционален изменению регулируемой величины.
В настоящем параграфе при анализе конструкций датчиков говорится о кон струкции контрольно-измерительных приборов (КИП), в качестве основных эле ментов которых используются чувствительные и преобразовательные элементы. С помощью таких приборов обслуживающий персонал контролирует работу энер гетической установки. Общность задач, стоящих перед КИП и САУ, а также унификация элементов, используемых в приборах и регуляторах, приводят
ктому, что КИП включаются в систему автоматизации энергетической установки.
Всвязи с изложенным рассмотрим классификацию КИП по назначению.
Указывающими называют приборы, которые позволяют производить только отсчет измеряемой величины в данный момент времени. Они включают, помимо чувствительных и преобразовательных элементов, отсчетные приспособления, на пример в виде стрелок и шкал. Самопишущие приборы снабжены устройствами для автоматической записи показаний. Сигнализирующие приборы имеют спе циальные приспособления для включения звуковой или световой сигнализации, когда измеряемая величина достигнет определенного заданного значения'.
53
К регулирующим относятся приборы, снабженные устройствами для пере дачи сигналов в систему автоматического управления.
Кроме того, приборы подразделяются на местные, устанавливаемые непо средственно у места измерения; дистанционные, у которых исполнительная часть может быть удалена от места измерения на значительное расстояние; телеметри ческие, у которых передача показании на далекие расстояния осуществляется с помощью специальных устройств. Датчики телеметрических приборов, находя щиеся у места измерения, принято называть первичными приборами, а приборы, измеряющие величины, передаваемые датчиками, называют вторичными прибо рами.
Подробно конструкции КИП излагаются в курсах теплотехнических изме рений.
Преобразовательные элементы
Преобразователи перемещений в электрические величины. Пре образователи перемещений в электрические величины широко используются в датчиках давления, температуры, уровня и. др. Существует ряд типов преобразовательных элементов.
/ — шток; 2 — трехперая пружина; 3, 5, 7 — контакты; 4 — упор контакта; 6 — корпус
Простейшим по устройству преобразовательным элементом дат чиков дискретного типа является электрический контакт. Замы
|
кание |
и |
размыкание контактов |
|||
Л' |
микропереключателя |
(рис. |
3.1) про |
|||
|
исходит при перемещении штока 1. |
|||||
|
Трехперая |
пружина |
2 |
обеспечи |
||
|
вает ускоренное движение подвиж |
|||||
|
ного |
контакта |
после |
размыка |
||
|
ния до положения на упоре кон |
|||||
|
такта |
4 |
или |
замыкания |
контак |
|
|
тов 5, 7 с тем, чтобы избежать по |
|||||
|
явления искры и пригорания кон |
|||||
|
тактов. |
|
|
|
|
|
|
Положение ртутного переключа |
|||||
Рис. 3.2. Схема ртутного пере- |
теля |
при замыкании |
и размыкании |
|||
ключателя |
контактов показано на рис. 3.2. |
54
В омических преобразовательных элементах (рис. 3.3) сигнал перемеще ния х преобразуется в изменение ак тивного сопротивления элемента Rx, которое в свою очередь приводит к изменению выходного напряжения и„ потенциометрической схемы.
Можно показать, что при выборе сопротивлений /?„ > Rx выходное на пряжение иа будет пропорционально перемещению х: un—knx, а'статиче ский коэффициент передачи преобра зовательного элемента
kп — |
duH . |
itpwl |
[в!см], |
dx |
|
||
|
|
|
К .
- А — ~ > - сс
А
0— 1
■L -
_______ и -
Рис. 3.3. Схема оми ческого преобразователь ного элемента
где р — удельное сопротивление провода, намотанного |
на |
кар |
кас, сш/сж; |
|
|
w —-т полное число витков; |
|
|
I — длина одного витка, см\ |
|
|
L — длина потенциометра, см; |
|
|
и. — входное напряжение. |
|
|
Омические преобразовательные элементы могут также |
вклю- |
|
- чаться в одно из плеч неравновесного или равновесного |
моста. |
Рис. 3.4. Схема неравновес |
Рис. 3.5. Схема индуктивного пре |
ного моста |
образователя |
На рис. 3.4 представлена схема включения переменного сопро тивления R x в одно из плеч неравновесного моста. Если соотноше-
R R
ние сопротивлений в плечах моста т^—тг, то ток в Диагонали bd
будет, отсутствовать. При изменении величины R i в диагонали bd появится ток, величина которого будет пропорциональна измене нию сопротивления Ri. Если Ri достаточно велико, то и напряже ние на клеммах bd будет пропорционально изменению R ь
В равновесных мостовых схемах изменение переменного сопро тивления R 1 компенсируется изменением сопротивления R2 в дру
55
гом плече моста таким образом, чтобы ток в диагонали моста был равен нулю.
В индуктивных преобразовательных элементах (рис. 3.5) пере мещение сердечника приводит к изменению реактивного сопротив ления катушки вследствие изменения ее индуктивности.
Индуктивность катушки определяется по формуле
L = |
М , |
|
|
i |
|
|
|
где Ф — магнитный поток в сердечнике, вб\ |
|
||
i — мгновенное значение тока в катушке, а. |
|
||
------------------- |
Магнитное |
сопротивле |
|
ние сердечника |
мало по |
||
|
|||
|
сравнению с магнитным со |
||
|
противлением |
воздушного |
|
|
зазора 2 б. Это |
обстоятель |
|
|
ство учитывается при расче |
||
|
те величины Ф. |
|
r 7 T t Окончательно
Р и с . 3.6. С х ем а ем к о ст н о го п р е о б р а |
[гн], |
|
|
зо в а т е л я |
5 |
где S — площадь сечения магнитопровода, см2\ б — величина зазора, см.
Так как индуктивное сопротивление катушки L значительно больше, чем ее активное сопротивление, то
/ = 4 и / = / г "8’
где k n— статический коэффициент передачи,
ь |
____ |
|
0,2-шw 2S ' |
т. е. сила тока пропорциональна величине воздушного зазора.
Емкостные преобразовательные элементы (рис. 3.6) служат для изменения емкостного сопротивления в электрической цепи. Емкость плоского конденсатора
С = тг8 [см],
где е — диэлектрическая постоянная; 5 — площадь пластин, см2\
6 — расстояние между конденсаторами, см.
Величину С можно изменять путем изменения не только б, но и S, а в емкостных датчиках уровня — путем изменения е.
56
Преимуществом индуктивных и емкостных преобразователей перед омическими является их высокая чувствительность к малым перемещениям и отсутствие контактов. Недостаток этих преобра зовательных элементов — необходимость усилителей с большими коэффициентами усиления.
Преобразователи электрических величин в перемещение. Элек трические величины преобразуются в перемещение с помощью магнитоэлектрических, электромагнитных и электродинамических
механизмов. |
Принцип |
|
действия |
|
|
||||
магнитоэлектрических |
механизмов |
|
|
||||||
основан на взаимодействии магнит |
|
|
|||||||
ных полей постоянного магнита и |
|
|
|||||||
рамки с током. |
|
|
|
|
|
|
|
||
М а г н и т о э л е к т р и ч е с к и й |
|
|
|||||||
ме ха н и з м |
(рис. |
3.7) |
состоит |
из |
|
|
|||
неподвижного магнита 1 и подвиж |
|
|
|||||||
ной рамки 2. |
Момент М вр, созда |
|
|
||||||
ваемый полем рамки, поворачи |
|
|
|||||||
вает ее относительно поля непо |
|
|
|||||||
движного магнита. |
Величина |
Л4вр |
|
|
|||||
пропорциональна |
току |
в |
рамке i: |
|
|
||||
М вр= |
kii. Повороту |
рамки |
препят |
|
|
||||
ствует |
пружина |
(на рис. |
3.7, а |
не |
|
|
|||
показана), причем момент сопро |
|
|
|||||||
тивления М пр пропорционален углу |
|
|
|||||||
закрутки пружины, т. е. углу пово |
|
|
|||||||
рота а: М пр = /г2а. |
Так |
как М вр= |
|
|
|||||
= М„р, то угол поворота рамки, ко |
Рнс 37 |
Схема м а г н „ т о э л е к т р и - |
|||||||
торая |
соединяется |
с указательной |
|||||||
стрелкой прибора, |
пропорционален |
ч еск о го м е х а н и зм а |
|||||||
силе тока i: a = ki i/k2: |
|
к весьма |
слабым |
сигналам и может |
|||||
Механизм |
чувствителен |
быть непосредственно подключен к термопарам, э. д. с. на выходе которых измеряется милливольтами, а также может быть исполь зован с реостатными датчиками. На рис. 3.7,6 показана схема включения механизма в диагональ неравновесного моста. Измене ние сопротивления Ri приводит к изменению тока в диагонали и к изменению поворота катушки с током. Недостатком этой схемы измерения является чувствительность ее к нестабильности напря жения.
На рис. 3.8, а представлена схема, а на рис. 3.8, б — электри ческая схема соединений другого магнитоэлектрического меха низма— логометра. Логометр состоит из неподвижного магнита
идвух подвижных рамок с током, расположенных под углом друг
кдругу. Зазор между рамками и железом магнита в случае вра щения рамок изменяется. Таким образом, каждому положению
рамок соответствуют определенные значения индуктивностей Bi и В2 магнитных полей рамок.
57
Направление, создаваемое моментами вращения Му и М2, ко торые возникают вследствие взаимодействия вращающихся маг нитных полей рамок и-поля постоянного магнита, противоположны. Величины моментов.
М х = kByiy и М 2 = kBoi2,
где iy и 1*2— токи в рамках.
При М уфМ 2 рамки с током вращаются. Очевидно, что устой чивое положение будет при условии Му—М2.
В соответствии со схемой включения рамок логометра в диаго наль неравновесного моста при изменении сопротивления Ry будут перераспределяться токи iy и i2 в рамках. Это приведет к изме нению моментов вращения Му и М2 и к повороту рамок до тех
пор, пока не будет выполнено условие 4*- = |
Следовательно, |
Н |
|
каждому значению сопротивления Ry соответствует определенное значение утла а.
Достоинством схемы является ее малая зависимость от неста бильности напряжения (до 30—40%), так как соотношение токов
|
в |
рамках |
при |
этом |
изменяется |
||||
|
мало. |
|
|
|
|
|
преобра |
||
|
|
Магнитоэлектрические |
|||||||
|
зователи питаются только по |
||||||||
|
стоянным током. Изменение на |
||||||||
|
правления тока приводит к изме |
||||||||
|
нению моментов вращения, и по |
||||||||
|
этому |
использовать |
переменный |
||||||
|
ток для этих приборов нельзя. |
||||||||
|
Принцип |
действия э л е к т р о м а г |
|||||||
|
н и т н ых |
|
м е х а н и з м о в |
основан |
|||||
|
на |
зависимости |
магнитных |
свойств |
|||||
|
стального |
|
сердечника |
|
от |
си |
|||
|
лы тока, пропускаемого через |
||||||||
|
катушку. |
|
электромагнитного |
меха |
|||||
|
|
Схема |
|
||||||
|
низма представлена на рис. 3.9. |
||||||||
|
Чем больше ток в катушке 2, тем |
||||||||
|
больше |
сила |
притяжения |
маг |
|||||
|
нита 3, преодолевающего силу пру |
||||||||
Р и с . 3 .8 . С х ем а л о г о м е т р а |
жины |
4 |
и |
поворачивающего |
|||||
|
якорь |
1. |
Переменный ток |
пригоден |
для питания электромагнитных приборов, так как изменение на правления тока хотя и меняет направление магнитного поля, но одновременно и перемагничивает якорь.
На рис. 3.10 представлена схема э л е к т р о д и н а м и ч е с к о г о
п р е о б р а з о в а т е л я , |
в котором электромагнитное поле по |
движной рамки с током |
взаимодействует с полем неподвижного |
электромагнита. |
|
58
Чувствительные элементы и датчики давления (разрежения). Системы регулирования давления (пара, воздуха, масла) зани мают важное место в автоматизации энергетических установок, поэтому чувствительные элементы' и датчики давления имеют ши рокое распространение.
Р и с . 3.9. С х ем а эл ек т р о м а гн и т |
Р и с . |
ЗЛО. С х ем а |
э л е к т р о д и н а |
н ого м е х а н и зм а |
м и ч еск ого п р е о б р а зо в а т е л я |
||
В качестве чувствительных элементов |
давления |
используются |
упругие чувствительные элементы: манометрические и геликоидаль
ные пружины, мембраны и сильфоны. |
собой |
изо |
|||||||
М а н о м е т р и ч е с к а я |
п р у ж и н а представляет |
||||||||
гнутую |
по |
дуге |
окружности трубку эллиптического |
сечения |
из |
||||
бронзы или стали, запаянную |
|
|
|||||||
с одного конца. Под действием |
|
|
|||||||
давления, |
подводимого |
внутрь |
|
|
|||||
трубки (рис. 3.11), |
ее сечение |
|
|
||||||
стремится стать круглым. Воз |
|
|
|||||||
никающее в стенах трубки на |
|
|
|||||||
пряжение |
|
распрямляет |
ее. |
|
|
||||
Благодаря |
|
этому |
запаянный |
|
|
||||
конец |
трубки |
перемещается |
|
|
|||||
на угол ср. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М а н о м е т р и ч е с к а я |
|
|
|||||||
с п и р а л ь н а я |
( г е л и к о и |
|
|
||||||
д а л ь н а я ) |
п р у ж и н а |
пред |
|
|
|||||
ставляет |
собой |
тонкостенную |
|
|
|||||
трубку |
эллиптического |
|
сече |
|
|
||||
ния, состоящую из нескольких |
|
|
|||||||
витков (рис. 3.12). В силу тех |
|
|
|||||||
же причин, |
что |
и в маномет |
|
|
рической пружине, под действием давления, подаваемого внутрь трубки, происходит разворот подвижного конца трубки. Чувстви тельность такого измерительного элемента выше, чем манометри ческой пружины. :
М е м б р а н о й называется гибкая, закрепленная по периметру перегородка, преобразующая изменение давления (рис. 3.13, а)
59