книги / Теплотехнические измерения и приборы

8-7. Передающие преобразователи с магнитной компенсацией

Передающие преобразователи с магнитной компенсацией предна­ значены для преобразования перемещения центра или сводного конца упругого чувствительного элемента (§ 10-2) прибора, воспри­ нимающего измеряемую величину, в унифицированный выходной сигнал постоянного тока. Преобразователи с магнитной компенса­ цией, предложенные В. Д. Мироновым, И. Б. Каплуновым и др. [47] и конструктивно разработанные совместно с НИИТеплоприбором, выполняются с линейной и квадратичной характеристикой.

Преобразователи с линейной характеристикой предназначены для первичных приборов с упругими чувствительными элементами, применяемых для измерения, например, давления, разности давле­ ний и уровня жидкости. Для этих приборов выходной сигнал посто-

Рис. 8-7-1. Структурная схема преобразователя с магнитной ком­ пенсацией.

/ — упругий чувствительный элемент первичного прибора, преобразую­ щий измеряемую величину в перемещение А,; 2 — постоянный магнит (магнитный плунжер); 3 — магнитное преобразовательное устройство; 4— усилитель полупроводниковый; 5 — устройство обратной связи.

янного тока преобразователя будет пропорционален измеряемой величине.

Преобразователи с квадратичной характеристикой предназна­ чены для дифманометров (гл. 12), применяемых для измерения рас­ хода жидкостей, газов и пара по перепаду давления в сужающем устройстве, связанному с расходом квадратичной зависимостью. Выходной сигнал постоянного тока преобразователя с квадратич­ ной характеристикой пропорционален измеряемому расходу.

Структурная схема преобразователя с магнитной компенса­ цией показана на рис. 8-7-1. Магнитный плунжер служит для пре­ образования перемещения Я центра или свободного конца упругого чувствительного элемента в управляющий магнитный поток Фм. Магнитное преобразовательное устройство предназначено для пре­ образования разности магнитных потоков ДФ.= Фм— Ф0. с, созда­ ваемых постоянным магнитом и током обратной связи / 0 с,’ в элект­ рический сигнал U. Снимаемый сигнал с выхода магнитного преобра­ зовательного устройства подается на вход полупроводникового уси­ лителя, которой усиливает его и преобразовывает в выходной сиг­ нал постоянного тока / вых = 0ч-5мА. Устройство отрицательной

обратной связи позволяет установить, необходимый закон преобра­ зования.

Выходной сигнал U магнитного преобразовательного устройства определяется выражением

где д:мп «— перемещение магнитного плунжера; /0 с = /0. с (/„ых) — ток обратной связи; и /г2 — постоянные коэффициенты.

Выходной ток полупроводникового усилителя преобразователя

т— h ^ o .c .

При достаточно большом коэффициенте передачи полупроводни­ кового усилителя (ky оо) это выражение принимает вид:

При линейном преобразовании входного сигнала отрицательная обратная связь образуется резистором, через который протекает выходной ток.

Для получения пропорциональной зависимости выходного тока 7вых передающего преобразователя дифманометра от расхода среды Q, измеряемого по перепаду давления Др в сужающем устройстве, когда

необходима нелинейная обратная связь с подобной (8-7-5) зависи­ мостью

Подставив эти зависимости в соотношения (8-7-1) и (8-7-2), при ky оо получим:

Квадратичный закон преобразования измеряемой величины формируется путем включения в цепь отрицательной обратной связи нелинейных элементов или с помощьюквадратора.

Принципиальная электрическая схема передающего преобразо­ вателя с магнитной компенсацией приведена на рис. 8-7-2. Магнит­ ное преобразовательное устройство передающего преобразователя имеет две обмотки возбуждения wBt wBи две обмотки обратной связи wox и Wo.c, расположенные на двух специальной формы магнитопроводах MLи М2. Цепь возбуждения содержит диоды Дъ Д2и бал­ ластные резисторы R\ и R2. Обмотки возбуждения wBи балласт­ ные резисторы R±й R2образуют измерительную схему моста. В вы­ ходную цепь моста включен фильтрующий конденсатор С. Питание моста осуществляется от силового трансформатора усилителя на­ пряжением в виде прямоугольных импульсов с частотой 50 Гц, фор­ мируемых с помощью стабилитрона и ограничительного резистора.

встречно, что позволяет скомпенсировать наводимые в них э. д. с. от обмоток возбуждения. Магнитные потоки в магнитопроводах Мг и М2, создаваемые током / 0<с при протекании его по обмоткам обратной связи, направлены навстречу магнитным потокам постоян­ ного магнита.

Рассмотрим конструктивную схему магнитного преобразователь­ ного устройства, представленную на рис. 8-7-3. Этот узел преобра­ зователя состоит из внешних (вспомогательных) магнитопроводов 1, в средней части которых расположены магнитные элементы 2 (магнитопроводы Мг и М2 специальной формы, каждый из которых несет обмотку обратной связи и обмотку возбуждения), и магнит­ ного плунжера 3, представляющего собой небольшой цилиндриче­ ский постоянный магнит. Магнитный плунжер, механически соеди­ няемый со свободным концом или центром упругого чувствительного элемента первичного прибора, может применяться с разделительной немагнитной стальной трубкой 4 (показана пунктиром) и без нее.

Основной магнитный поток магнитного плунжера замыкается через вспомогательные магнитопроводы. В измерительные магнит­ ные элементы вследствие наличия относительно больших воздуш­ ных зазоров ответвляется только некоторая часть магнитного потока

в виде потоков рассеивания. При нейтральном положении магнит­ ного плунжера (рис. 8-7-3, а) ответвляемые в магнитные элементы магнитные потоки имеют противоположное направление и равны по своему значению. Поэтому результирующий магнитный поток практически равен нулю. Смещение магнитного плунжера в ту или другую сторону от нейтрального положения нарушает симметрию, в результате чего магнитные элементы возбуждаются результирую­ щим магнитным потоком (рис. 8-7-3, б). Направление магнитного потока в магнитных элементах (магнитопроводах Мх и М2— рис. 8-7-2) зависит от направления перемещения магнитного плун­ жера и его полярности.

J J

При нейтральном положении магнитного плунжера (рис. 8-7-3, а) токи, протекающие в обмотках возбуждения wnи wB, равны и проти­ воположны по направлению, и выходной сигнал U (разность напря­ жений на балластных резисторах R5и R2) равен нулю. При смеще­ нии магнитного плунжера (рис. 8-7-3, б) на магнитопроводы Мг и М2 (рис. 8-7-2) действует магнитный поток постоянного магнита, который в одном магнитопроводе, например Мъ оказывает подмагничивающее действие, складываясь с магнитным потоком от обмотки возбуждения wB, а в другом, М2— размагничивающее действие. Вследствие этого в магнитопроводе Мг наступает состояние насыще­ ния раньше, чем в магнитопроводе М2, и, следовательно, значение среднего тока, протекающего через обмотку возбуждения wBи бал­ ластный резистор Rlt будет больше, чем в цепи R2— wB. Снимаемый с балластных регисторов R± и R2 сигнал будет пропорционален управляющему воздействию магнитного потока постоянного маг­ нита.

Магнитные потоки обратной связи в магнитопроводах Мг и М2 направлены навстречу магнитным потокам постоянного магнита.

Магнитный поток обратной связи в магнитопроводе Мг направлен навстречу магнитному потоку от обмотки возбуждения wD, а в магни­ топроводе М2 совпадает по направлению с магнитным потоком от обмотки возбуждения WB. Работа магнитного преобразовательного устройства при управлении постоянным током обратной связи про­ исходит аналогично управлению магнитным потоком постоянного магнита. При смещенном постоянном магните (рис. 8-7-3, б) снимае­ мый с балластных резисторов R±и /^сигнал будет пропорционален результирующему управляющему воздействию магнитных потоков постоянного магнита и обратной связи.

Суммарное сопротивление внешней нагрузки Rn передающего преобразователя с магнитной компенсацией, обусловленное подклю­ чением вторичного прибора, регулирующего прибора, информацион­ но-вычислительной машины и линиями связи дистанционной пере­ дачи, не должно превышать 2,5 кОм.

В качестве вторичных приборов могут быть использованы пока­ зывающие, показывающие и самопишущие миллиамперметры КПУ1, КВУ1, КСУ1, КСУ2, КСУЗ и КСУ4.

Приборы с упругими чувствительными элементами, снабженные передающими преобразователями с .магнитной компенсацией, изго­ товляются казанским заводом «Теплоконтроль».

8-8. Электросиловые преобразователи

Электросиловые преобразователи предназначены для преобра­ зования усилия чувствительного элемента измерительных устройств, воспринимающего измеряемую величину, в.унифицированный сигнал постоянного тока 0—5 или 0—20 мА. Унифицированные электро­ силовые преобразователи и рассматриваемые ниже средства измере­ ний, созданные на их базе, разработаны НИИТеплоприбором сов­ местно с московским приборостроительным заводом «Манометр». Электросиловые преобразователи, конструктивно сочленяемые с из­ мерительными блоками приборов, выпускают с линейной и квадра­ тичной характеристикой.

Преобразователи с линейной характеристикой ЭЛП использу­ ются в первичных приборах для измерения абсолютного, вакуумметрического и избыточного давлений, разности давлений, тяги и напора, уровня и плотности жидких сред и других величин. Для средств измерений этого типа выходной сигнал пропорционален измеряемой величине. Электросиловые преобразователи с квадра­ тичной характеристикой ЭКП применяют в дифманометрах (гл. 12), предназначенных для измерения расхода жидкостей, газов и пара по перепаду давления в сужающем устройстве. В этом случае выход­ ной сигнал дифманометра будет пропорционален измеряемому расходу.

В основу построения рассматриваемых преобразователей поло­ жен принцип силовой компенсации. Преобразователи представляют

собой электрические измерительные устройства с отрицательной обратной связью.

Принципиальная схема линейного электросилового преобразо­ вателя (ЭЛП) показана на рис. 8-8-1. Измеряемая величина х вос­ принимается чувствительным элементом измерительного устройства 1 и преобразовывается в пропорциональное усилие q. Это усилие через рычажную систему 3 и 4 передаточного механизма электроси­ лового преобразователя 2 автоматически уравновешивается усилием qox, развиваемым в магнитоэлектрическом силовом механизме обрат­ ной связи. Механизм обратной связи состоит из стержневого посто­ янного магнита MS, магнитопровода из магнитомягкой стали, пред­ ставляющего собой П-образное основание, и полюсной накладки 11, образующей с цилиндрической шейкой магнита кольцевой зазор.

Рис. 8-8-1. Принципиальная схема линейного электросиловое го преобразователя.

В этом зазоре помещена круглая рамка 10, закрепленная на подвиж­ ном рычаге 9 блока обратной связи преобразователя. Внешнее рас­ положение магнитопровода по отношению к магниту .обеспечивает надежное экранирование магнитоэлектрического устройства и умень­ шает потоки рассеяния. При протекании выходного постоянного тока / вых через обмотку рамки магнитоэлектрического механизма возникает усилие обратной связи q0tс. Значение этого усилия опре­ деляется выражением

где / — средняя длина витка рамки, м; п — число витков; / ВЬ1Х— сила тока, А; В — магнитная индукция в зазоре, Т.

При изменении измеряемой величины, а следовательно, и усилия q происходит незначительнее перемещение рычажной, системы 3 и 4 и связанного с подвижным рычагом 9 управляющего флажка 7 индикатора рассогласования 8, выполненного по дифференциально­ трансформаторной схеме и снабженного пермаллоевым экраном (экран показан пунктиром). Индикатор рассогласования преобра­ зует это перемещение в сигнал рассогласования — э. д. с. перемен­

ного тока. Этот сигнал поступает на вход усилителя УП-20, служа­ щего для усиления и преобразования э. д. с. рассогласования в уни­ фицированный выходной сигнал постоянного тока 0—5 или 0—20 мА (в зависимости от параметров обмотки рамки 10 и настройки усили­ теля УП-20).

Выходной сигнал постоянного тока / ВЬ1Х усилителя поступает в линию дистанционной передачи и одновременно в последовательно соединенную с ней обмотку рамки магнитоэлектрического силового механизма обратной связи, где преобразуется в пропорциональное усилие q0 с. Мерой входного усилия q, а следовательно, и измеряе­ мой величины х является текущее значение выходного сигнала / ВЬ1Х преобразователя, необходимое для создания уравновешивающего усилия обратной связи qo z.

Настройка преобразователя на заданный диапазон измерения величины х осуществляется плавным изменением передаточного

ратной связи вместо магнитоэлектрического. Схема устройства электромагнитного силового механизма обратной связи электро­ силового квадратичного преобразователя ЭКП показана на рис. 8-8-2. Этот механизм по своему устройству аналогичен магнито­ электрическому, но здесь вместо постоянного магнита используется цилиндрический стержень 4, укрепленный на магнитопроводе 2, и неподвижная катушка 3, которая создает магнитное поле в кольце­ вом зазоре, образованном стержнем и полюсной накладкой 5, при протекании постоянного выходного тока / ВЬ1Хпо ее обмотке. В маг­ нитном поле кольцевого зазора находится ферромагнитный кольце­ вой плунжер 1}который жестко крепится к рычагу 9 блока обратной связи преобразователя (рис. 8-8-1). Усилие обратной связи q0tC в этом случае пропорционально квадрату тока, протекающего по обмотке катушки, т. е. q0t с = Д/выхПреобразователи типа ЭКП выпускаются с значением выходного сигнала 0,3—5 или 1,2—20 мА.

Суммарное сопротивление внешней нагрузки Rn усилителя пре­ образователя, обусловленное подключением вторичного прибора, измерительного блока регулятора и информационно-вычислитель­

ной машины и линиями связи дистанционной передачи, не должно превышать при выходном токе 5 мА 2,5 кОм, а при 20 мА — 1,0 кОм.

Усилитель УП-20, схема которого приведена на рис. 8-8-3, состоит из предва­ рительного усилителя напряжения, фазочувствительного выпрямителя, коррек­ тирующих цепей, усилителя постоянного тока и устройства питания.

Предварительный усилитель напряжения имеет два непосредственно свя­ занных каскада, собранных по схеме с общим эмиттером на триодах Г* и Т 2

(типа П21А), с отрицательной обратной связью по постоянному току параллель-

Рис. 8-8-3. Принципиальная электрическая схема усилителя типа УП-20.

H Q ro типа — эмиттер Т 2 — база 7 * (Д3, Д4, Дб> С2, С4). Стабилитрон Д± (типа Д808), включенный в цепь эмиттера триода T l9 увеличивает глубину отрицатель­

ной обратной связи по постоянному току. Резистор служит для регулировки коэффициента усиления усилителя при его настройке. Колебательный контур, включенный в коллекторную цепь триода Т2, корректирует фазовую характерис­ тику усилителя.

С выхода предварительного усилителя напряжения усиленный сигнал пере­ менного тока через согласующий трансформатор Т р 2 поступает на фазочувстви­ тельный выпрямитель Ф В , построенный по схеме кольцевого демодулятора. Ком­ мутирующее напряжение на диоды Д 2 — Д 5 (типа Д220Б) подается со вторичной обмотки I I трансформатора T p i . После фильтрации и обработки сигнала коррек­ тирующими цепями R io — R i3>С5» Q и Св напряжение постоянного тока подается на двухкаскадный усилитель постоянного тока Т 3 и Т4. Первый каскад собран по

схеме с общим коллектором, второй — по схеме с общей базой. При отсутствии сигнала триод Т 3 (П21А) открыт, Т4 (П304) почти закрыт^ Остаточный ток триода Т 4, протекающий через нагрузку, компенсируется током противоположного на­

правления от отдельного источника напряжения (Д^, Д п ). Для увеличения его внутреннего сопротивления включен резистор Д2о*

При увеличении сигнала постоянного тока триод Т 3 запирается, а триод Т 4

открывается, что соответствует возрастанию коллекторного тока. В коллекторную

цепь выходного триода (клеммы 4, 1) последовательно включается рамка маг­ нитоэлектрического силового механизма обратной связи (рис. 8-8-1), а с клемм 2 и 3 выходной сигнал постоянного тока усилителя поступает в линию дистанцион­ ной передачи.

Резистор # 17 служит для подгонки нулевого значения выходного тока при настройке усилителя. Для питания схемы усилителя используются три выпрями­ теля: Дд—Д9, Ды—Дп, Д12—Лз» собранные по двухполуперйодной схеме с исполь­ зованием диодов соответственно Д207, Д220Б и Д207. Конденсаторы Сп —С13 служат для уменьшения пульсаций выходного сигнала.

Напряжение с шестой обмотки трансформатора Tpi через фазовращатель Ся, Qo» #19 и клеммы 7,8 подается для питания первичной обмотки индикатора рассог­ ласования, а через клеммы 5, 6 на вход усилителя поступает сигнал напряжения переменного тока от индикатора рассогласования (рис. 8-8-1). Питание усилителя

осуществляется от сети переменного тока частотой 50 ± 1 Гц, напряжением 220+55 В (клеммы /2, 14).

8-9. Частотные преобразователи со струнным вибратором

В системах автоматического технологического контроля, регу­ лирования и управления в металлургической и некоторых других отраслях промышленности находят применение частотные преобра­ зователи со струнным вибратором. Выходной частотный сигнал измерительной информации этих преобразователей может быть введен непосредственно в цифровые измерительные устройства и машины. Частотные преобразователи обладают малой погреш­ ностью и позволяют передавать сигнал измерительной информа­ ции по каналам связи на большие расстояния.

Применяемый струнный вибратор с магнитоэлектрическим спо­ собом возбуждения представляет собой струну, расположенную между полюсами постоянного магнита, Один конец струны жестко закреплен, второй связан с кинематической системой, изменяю­

струны, Н; р — масса на единицу длины струны, кг/м.

Если по струне пропустить переменный ток, то при взаимо­ действии его с магнитным полем постоянного магнита возникнут вынужденные колебания струны. При совпадении частоты вынуж­ денных колебаний с собственной частотой возникают резонансные колебания струны.

Следует отметить, что свободные колебания струны из-за нали­ чия трения о воздух, трения струны в местах закрепления, потерь на вязкость в материале струны являются затухающими, поэтому для поддержания незатухающих колебаний к струне непрерывно должна подводиться энергия.

Для анализа работы и расчета струнного вибратора удобно использовать эквивалентную электрическую схему в виде колеба-

тельного LC-контура (рис. 8-9-1, а) с параметрами, выраженными через параметры струнного вибратора:

где В — магнитная индукция в зазоре магнита; k — коэффициент затухания свободно колеблющейся струны; L — эквивалентная индуктивность; С — эквивалентная емкость; Яс— активное сопро­ тивление неподвижной | струны; Яд — динамическое сопротивление

струны.

Значение Яд определяют обыч­ но по формуле

дом КИП [17]. Этот преобразователь предназначен для преобразо­ вания угловых перемещений в унифицированный частотный выход­ ной сигнал. Преобразователи типа ПС применяются в качестве передающих сигнал измерительной информации вторичных и дру­ гих приборов (например, КСПЗ, КСМЗ, КСДЗ, ВФС) и компенси­ рующих узлов автоматических измерительных устройств, например, безреохордных потенциометров (§ 4-23). Преобразователь ПС изго­ товляют в виде отдельного блока. Схема устройства струнного вибратора преобразователя типа ПС показана на рис. 8-9-1, б. Он состоит из постоянного магнита NS, между полюсами которого натянута струна 1 из немагнитного материала (вольфрама). Верх­ ний конец струны жестко закреплен в зажиме на неподвижном основании, а нижний — на подвижном кронштейне 3. Регулировка начального натяжения струны осуществляется корректором нуля* 2. В преобразователе типа ПС корректор нуля выполнен в виде экс­ центрика. Подвижный кронштейн связан с входной осью 5 с по­ мощью кулачка 5, гибкой ленты и двух пружин 4Уобразующих механический квадратор. Угол поворота входной оси, а следова­ тельно, и кулачка ограничен упорами, которые на схеме не пока-