9543
.pdf80
9. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ СКВ
9.1 Классификация измерительных преобразователей
Важнейшим элементом любой системы измерения является изме-
рительный преобразователь (ИП) – устройство, преобразовывающее информа-
цию к виду, удобному для последующей обработки.
Первичный ИП включает чувствительный элемент, который непосред-
ственно связан с измеряемой величиной и находится под ее воздействием.
В сложных системах измерения может быть несколько преобразований.
Например, изменение давления может быть преобразовано в перемещение упругого элемента, перемещение – в изменение электрического сопротивления,
а последнее – в электродвижущую силу – напряжение. Такие ИП являются промежуточными.
Для дистанционной передачи информации на измерительный прибор служат каналы (линии) связи.
Конструктивно законченное устройство, включающее один или несколь-
ко ИП и расположенное непосредственно на объекте управления, называется датчиком.
По принципу действия датчики можно разделить на две группы: парамет-
рические и генераторные. В параметрических датчиках контролируемая вели-
чина преобразуется в параметр электрической цепи: сопротивление, емкость,
индуктивность, электрический контакт (датчики-реле) и т. п.
В генераторных датчиках различные виды энергии преобразуются в элек-
трическую. Это термоэлектрические (термопары), индукционные, пьезо- и фо-
тоэлектрические датчики.
По виду выходной величины датчики классифицируются в зависимости от того, в какую величину преобразуется контролируемый параметр:
–параметрические (омическое сопротивление, емкость, индуктивность);
–переменный ток (напряжение);
81
–постоянный ток (напряжение);
–дискретные (датчики-реле).
Из параметрических датчиков наиболее распространены датчики омиче-
ского сопротивления, так как измерение или передача значений емкости и ин-
дуктивности по каналам связи технически трудная задача. На выходе датчика обычно получают унифицированный сигнал постоянного напряжения (тока)
или состояние электрического контакта (замкнут/разомкнут). Наличие унифи-
цированного сигнала на выходе датчика позволяет упростить стыковку его с регулирующими устройствами и исполнительными механизмами. Наибольшее распространение получили унифицированные электрические сигналы постоян-
ного тока (0-5 мА, 4-20 мА) и напряжения (0-5 В, 0-10 В). Они используются не только для передачи данных от датчиков к регуляторам, от регуляторов к ис-
полнительным механизмам, но и для обмена информацией устройств управле-
ния между собой.
По виду контролируемой величины можно выделить датчики: тем-
пературы, влажности, давления, уровня, расхода, состава вещества.
По конструктивному исполнению датчики подразделяются в зависимости от места их установки:
–наружные, устанавливаемые на открытом воздухе, вне помещения;
–канальные, устанавливаемые в трубопроводах и воздуховодах;
–комнатные, устанавливаемые в помещениях;
–специальные, которые учитывают специфические условия измерения и эксплуатации в различных технологических помещениях (поверхностные, то-
чечные, накладные, совмещенные и т. д.).
При выборе датчиков по конструктивному исполнению необходимо учи-
тывать исполнение по степени защиты от воздействия внешних факторов.
Основными характеристиками датчиков являются:
– вид функциональной зависимости между измеряемой и выходной вели-
чинами;
82
– чувствительность, определяемая как отношение приращения выходной величины y к вызвавшему его изменению измеряемой величины x;
– погрешность измерения.
9.2Измерительные преобразователи температуры
Втехнике автоматизации СКВ температура жидкостей и газов является одним из основных контролируемых параметров. Ее измерение основано, как правило, на измерении физических свойств тел, функционально связанных с температурой в точке измерения.
По принципу действия датчики температуры подразделяются на датчики расширения (термометры), манометрические, термоэлектрические и термомет-
ры сопротивления (рис. 13).
Рис. 13. Классификация датчиков температуры.
Датчики температуры, работающие по принципу расширения, делятся на жидкостные и твердотельные. Жидкостные датчики расширения – это электро-
контактные термометры, выполненные из стеклянных трубок, заполненных ртутью и снабженных одним, двумя или тремя парами контактов. Работа дат-
чиков основана на том, что при изменении температуры, а, следовательно,
уровня ртутного столба, происходит замыкание или размыкание контактов.
83
Диапазон измерения таких датчиков обычно 0-300 °С, цена деления шкалы
1-2 °С, а допустимые отклонения температуры срабатывания контактного устройства 1-5 °С. Как видим, точность этих датчиков очень мала, поэтому, как правило, они используются только в простейших системах, где требования к точности невысоки.
Более высокую точность срабатывания обеспечивают датчики-реле, ис-
пользующие принцип расширения твердых тел (дилатометрические и биметал-
лические). В качестве чувствительных элементов в этих датчиках используются материалы со значительно отличающимися коэффициентами линейного рас-
ширения.
В дилатометрических датчиках используется линейное расширение (из-
менение длины) чувствительной латунной трубки относительно стержня из ин-
вара (сплав никеля и железа), происходящее при изменении температуры. При этом, т. к. коэффициент температурного расширения инвара очень мал, стер-
жень перемещается вместе с чувствительной трубкой. Вследствие перемещения стержня через рычажную систему размыкается или замыкается контакт. Дила-
тометрические датчики применяются для измерения температуры 0-500 °С и имеют класс точности 1,5; 2,5; 4,0.
Биметаллический датчик представляет собой пластину, сваренную из двух металлов с различными температурными коэффициентами расширения.
Наиболее часто используется пара «сталь-инвар». При изменении температуры окружающей среды незакрепленный конец пластины перемещается, что приво-
дит через рычажную систему к замыканию или размыканию контактов, или пе-
ремещению стрелки, если датчик выполнен в виде измерительного прибора (на схеме не показан). Точность срабатывания таких датчиков не более ±0,5 °С.
Эти датчики просты и надежны в работе, однако из-за недостаточной точности и инерционности применяются, где необходимы несложные и дешевые датчики без усилителей-преобразователей.
Наибольшее применение в системах кондиционирования и вентиляции получили датчики и измерительные приборы, выполненные на основе мано-
84
метрических термометров. Манометрические термометры широко используют-
ся не только для измерения и дистанционной передачи показаний температуры в трубопроводах, а также как сигнализаторы достижения определенной темпе-
ратуры.
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления жидкости или газа, находящихся в замкнутом объеме, от температуры.
Основным элементом манометрических термометров является герметичная сильфонная система, состоящая из чувствительного элемента – термобаллона,
соединенного капиллярной трубкой с упругим элементом – сильфоном. При из-
менении температуры термобаллона изменяется давление внутри манометриче-
ской системы и происходит деформация упругого элемента.
В зависимости от конструкции упругого элемента могут быть реали-
зованы показывающие приборы, датчики-реле или регуляторы.
Капиллярные трубки манометрических термометров изготавливают из меди или стали с наружным диаметром 2,5 мм и внутренним – 0,35 мм. Их дли-
на колеблется от 0,6 до 60 м.
Наличие капиллярной трубки позволяет осуществить дистанционные из-
мерения без дополнительной энергии, а конструкция манометрических датчи-
ков проста и надежна в эксплуатации.
В зависимости от вида рабочего вещества манометрические термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные.
Особенности различных видов манометрических термометров:
– газовые – малая температурная погрешность и наибольшая длина сое-
динительной капиллярной трубки;
–жидкостные – малая инерционность и небольшие размеры термобаллона;
–парожидкостные – малая температурная погрешность при изменении температуры окружающей среды и сравнительно малый размер термобаллона.
85
9.2.1 Термометры сопротивлений
Различают металлические и полупроводниковые термометры сопротив-
лений (термосопротивления).
Металлические термосопротивления изготавливают из чистых металлов,
большей частью из меди или платины, реже – из никеля, вольфрама или железа.
Применение в термосопротивлениях главным образом меди или платины свя-
зано с такими свойствами никеля и вольфрама, как тугоплавкость, повышенная окисляемость, разброс параметров от образца к образцу.
Конструктивно чувствительные элементы термосопротивления из плати-
ны или меди, выполненные в форме спирали, помещают в керамические труб-
ки, заполненные керамическим порошком. К обмотке чувствительных элемен-
тов крепятся выводы. Чувствительный элемент помещают в корпус защитной арматуры, конструкция которого зависит от условий измерения и, как правило,
выполнена из нержавеющей стали.
9.2.2 Термоэлектрические термометры
Термоэлектрические термометры (термопары) реализуют эффект Пель-
тье, который состоит в следующем. Если спаять два стержня из различных ме-
таллов, а спаянный и свободные холодные концы поместить в среды с различ-
ными температурами, то между свободными концами стержней возникает раз-
ность потенциалов. Свободные концы соединяют с измерителем тока. Термо-
электродвижущая сила (ТЭДС) в цепи будет зависеть от разности температур, в
которые помещены свободные и спаянные концы преобразователя и от свой-
ства металлов, из которых изготовлены стержни.
В промышленности в основном применяют преобразователи из следую-
щих сплавов: хромель-копель (ХК), хромель-алюмель (ХА) и платинородий-
платина (ПП). Каждый тип преобразователя имеет свою градуировочную ха-
рактеристику – зависимость ТЭДС от разницы температур горячего и холодных концов.
86
Сложность измерения термопарами состоит в необходимости ста-
билизации температуры свободных (холодных концов). Самым действенным способом исключения такой погрешности является способ, при котором соеди-
нительную линию между преобразователем и вторичным прибором монтируют специальным компенсационным проводом. При этом между выводами холод-
ных концов преобразователя и концами компенсационных проводов образуется дополнительная ТЭДС. Однако материалы проводов подбираются таким обра-
зом, чтобы эти ТЭДС были равны между собой и включены встречно. В этом случае суммарная ТЭДС будет зависеть только от разности температур горяче-
го спая и свободных концов компенсационных проводов, подключаемых на вход вторичного прибора. Обычно во вторичных приборах есть устройство, ко-
торое автоматически вносит поправку в значение ТЭДС в зависимости от тем-
пературы свободных концов компенсационных проводов внутри прибора.
9.3 Измерительные преобразователи влажности
Вторым по значимости физическим параметром, характеризующим со-
стояние воздуха, является влажность.
Классическим методом измерения влажности, особенно для тех-
нологических СКВ, является психометрический способ, основанный на измере-
нии температуры двумя термометрами – сухим и влажным. При создании усло-
вий адиабатного испарения воды влажного термометра их показаниям соответ-
ствует определенная относительная влажность. Для измерения температуры су-
хого и влажного термометров применяют металлические или полупроводнико-
вые сопротивления, которые должны быть идентичными по точности и быст-
родействию. Основная погрешность измерения по этому методу не превышает
±3 %, а дополнительная за счет погрешности вторичных преобразований и ко-
лебаний температуры окружающего воздуха увеличивается на ±2 %.
При измерении влажности методом точки росы определяют температуру поверхности, при которой устанавливается равновесие между количеством вла-
87
ги, испаряющейся с поверхности (например, зеркала) и осаждающейся из воз-
духа. Равновесие достигается с помощью терморегулятора, который следит за тем, чтобы количество конденсата не изменялось. При относительно высокой точности этого метода (+2 %) сложность реализации и большая дополнительная погрешность (загрязнение зеркала содержащимися в воздухе примесями) не позволяют использовать его для промышленных систем автоматики.
Обычно в системах кондиционирования воздуха применяется сорбцион-
ный метод измерения, основанный на применении гигроскопических тел, свой-
ства которых изменяются в зависимости от количества поглощенной влаги.
Датчики, использующие этот метод, подразделяются на деформационные, элек-
трические, весовые и цветовые.
Наибольшее распространение получили деформационные и элект-
рические гигрометры.
К первой группе относятся волосные гигрометры, гигрометры на основе бруска канадской сосны, капрона, вискозной нити и др. материалов, которые могут удлиняться до 2,5 % при изменении относительной влажности от 0 до
100 %. Они просты по конструкции, однако становятся инерционными с пони-
жением температуры и при десорбции чувствительного элемента. Погрешность таких преобразователей составляет ±3-5 %.
Во второй группе гигрометров (электрические) используют зависимость электрических свойств (емкость, сопротивление) чувствительных элементов от влажности. В свою очередь, эти гигрометры делятся на подогревные и неподо-
гревные.
Неподогревные датчики имеют чувствительный элемент из гигрос-
копического материала, нанесенного между электродами, электрическое сопро-
тивление или емкость которого изменяется при изменении влажности (рис. 14).
Точность измерения таких преобразователей составляет ±3 % в диапазоне тем-
ператур от –40 до 50 °С.
Более точными являются подогреваемые датчики. Это термометр сопро-
тивления, помещенный внутрь трубки-изолятора. Снаружи – влагочувствитель-
88
ный элемент, пропитанный хлористолитиевым раствором, с навитыми на него электродами, которые подключены к источнику переменного напряжения. При прохождении тока через чувствительный элемент он нагревается, в результате чего за счет испарения уменьшается плотность электролита. Как следствие, воз-
растает сопротивление, уменьшаются ток и температура датчика. Таким обра-
зом, в датчике устанавливается колебательный процесс изменения температуры около среднего значения, которая фиксируется термосопротивлением.
Рис. 14. Датчик влажности на основе сорбционного электрического метода: 1 – напыленные электроды; 2 – полистирол; 3 – влагочувствительная пленка.
9.4 Измерительные преобразователи давления, расхода, уровня и газового
состава среды
Наиболее простым и распространенным методом измерения давления яв-
ляется метод, использующий деформацию упругого элемента – сильфона, мем-
браны или трубчатой пружины, соответственно для малого, среднего и большо-
го давления.
Сильфонный чувствительный элемент представляет собой гофрирован-
ную цилиндрическую емкость, которая изменяет свои линейные размеры при перепаде давлений внутри и вне ее.
Мембрана – обычно круглая пластина, закрепленная по контуру и изгиба-
емая под действием разности давления внутри и снаружи.
89
Пружинный чувствительный элемент выполнен в виде трубки овальной формы, которая под действием избыточного давления стремится разогнуться.
Механическое перемещение чувствительного элемента преобразовывают в движение стрелки показывающего прибора или в электрический сигнал, ис-
пользуемый для управления.
Применяют также электрические методы измерения давления с использо-
ванием термосопротивлений, пьезоэлектрических, тензо-резисторных и др.
чувствительных элементов.
В системах кондиционирования и вентиляции датчики и измерители дав-
ления используются для контроля загрязненности фильтров и работы вентиля-
торов по перепаду давления (дифференциальные датчики), выравнивания и поддержания давления в помещениях, контроля давления в кондиционерах.
При эксплуатации систем кондиционирования все больше внимания уде-
ляется технике измерения расхода (тепло- и холодоносителей, массы переме-
щаемого воздуха).
По принципу действия расходомеры можно классифицировать четырьмя группами:
–постоянного перепада давления;
–переменного перепада давления;
–турбинные;
–ультразвуковые.
К первой группе относятся ротаметры, принцип действия которых осно-
ван на зависимости перемещения тела, воспринимающего динамическое давле-
ние потока, от расхода протекающей среды. В этих приборах чувствительный элемент – поплавок, вертикально перемещающийся относительно корпуса – в
зависимости от расхода изменяет площадь проходного отверстия таким об-
разом, что перепад давлений на обе его стороны остается постоянным.
При всей простоте конструкции этот способ не нашел применения в тех-
нике автоматизации из-за сложности дистанционной передачи показаний и большой инерционности.