10366

31

гулирования могут применяться также различные типы усилителей и исполнительных механизмов.

Отечественной промышленностью выпускается большая группа измерительных, записывающих и регулирующих приборов, называемых

электронными вторичными приборами, которые совмещают элементы сравнения, усилители и выходные устройства для включения исполнительных механизмов регуляторов и широко применяются для автоматизации различных процессов систем ТГВ.

Релейно-контактная и бесконтактная аппаратура применяется для включения и отключения различных электрических цепей и выполнения определённых логических операций.

Большое разнообразие технических средств автоматики потребовало их унификации. В нашей стране создана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), основанная на унификации, агрегатировании и совместимости технических средств автоматических систем.

В соответствии с ГСП созданы нормальные ряды приборов и элементов автоматики с едиными унифицированными сигналами и параметрами питания, нормализованными габаритными и присоединительными размерами. Государственной системой приборов предусматривается блочномодульный принцип построения, полная взаимозаменяемость элементов, узлов и приборов. ГСП предусматривает использование новейших средств вычислительной техники для обработки данных и управления производственными процессами.

По виду используемой энергии ГСП представлена в виде отдельных ветвей: электрической, пневматической, гидравлической и ветви без использования вспомогательной энергии (объединяющей приборы и регуляторы прямого действия).

2.2. Первичные преобразователи (датчики)

2.2.1. Классификация датчиков

Чувствительный элемент функциональной схемы САР реагирует на изменение технологического параметра и выполняет первичное преобразование измеряемой величины в удобную физическую форму для передачи и дальнейшей обработки сигнала. Поэтому в технических средствах автоматизации чаще всего используют понятие «первичный преобразователь» или «датчик».

Строительная отрасль отличается большим разнообразием технологических процессов и машин, подлежащих автоматизации. В каждом конкретном случае требуются вполне определённые типы первичных преобразователей, вырабатывающих первичную информацию, характеризую-

32

щую состояние технологического процесса или отдельного узла строительной машины.

Первичные преобразователи подразделяются по роду измеряемых величин и принципу действия.

В системах теплоэнергетики наиболее часто приходится сталкиваться с такими параметрами, как температура, давление, уровень, влажность, плотность, расход, скорость. Эти параметры характеризуют состояние объекта.

По принципу действия можно выделить следующие типы первичных преобразователей:

−электрические, измеряющие ток, плотность тока, напряжение, напряжённость поля, сопротивление, проводимость, частоту, фазу, электрическую ёмкость, энергию, мощность;

−магнитные, измеряющие напряжённость магнитного поля, магнитный поток, индуктивность;

−тепловые, измеряющие температуру, тепловой поток, количество тепла, тепловое сопротивление и проводимость;

−радиоактивные (молекулярные, атомные, изотопные), измеряющие интенсивность радиации, поток радиации, энергию радиации;

−оптические, измеряющие яркость, освещённость, световой поток, частоту, фазу, энергию, мощность излучения;

−механические, измеряющие время, положение, направление, угол, перемещение, геометрические размеры, скорость, ускорение, расход, силу, массу;

−акустические, измеряющие частоту, фазу, длину волны, скорость волны, давление, мощность волны в акустическом диапазоне;

−ультразвуковые, измеряющие частоту, длину волны, энергию, сдвиг фазы, давление, мощность волны в ультразвуковом диапазоне.

Наиболее часто применяются электрические первичные преобразователи. Это связано с удобством преобразования и построения измерительного устройства. Механический принцип действия первичных преобразователей возможен для всех измеряемых величин, он применяется значительно реже, чем электрический.

Наибольшее распространение в системах теплоэнергетики получили аналоговые датчики с электрическим непрерывным выходным сигналом.

Вменьшей степени применяются датчики с пневматическим и гидравлическим выходными сигналами.

Во многих датчиках, применяемых для контроля производственных процессов, измеряемая величина сначала преобразуется в перемещение чувствительного элемента (мембраны, плунжера, сильфона, упругого кольца и др.), а это перемещение преобразуется в изменение параметра электрической, пневматической или гидравлической цепи датчика. Такие датчики называются параметрическими.

34

Зависимость электрического сопротивления металлического терморезистора от температуры среды линейная и прямо пропорциональная (рис. 2.2) и может быть представлена уравнением

R = R0 + kt ,

где R0 – сопротивление датчика при t = 0ºC;

k – коэффициент пропорциональности (коэффициент передачи); t – температура, ºC.

R, Ом

t, ºC

Рис. 2.2. Статическая характеристика металлического терморезистора

Зависимость выходной величины датчика (сопротивление R) от входной величины (t, ºC) называют статической характеристикой.

Достоинство терморезисторов из металлов – линейность статической характеристики, возможность применения в линейных регуляторах (П, И, ПИ, ПИД), сравнительно простая конструкция. Минус датчика – большие размеры и небольшое приращение сопротивления при изменении температуры среды на один градус.

Терморезистор может быть выполнен из полупроводникового материала. В этом случае его статическая характеристика нелинейная, с повышением температуры сопротивление полупроводникового терморези-

t, ºC

Рис. 2.3. Статическая характеристика полупроводникового терморезистора

Такую характеристику с некоторым приближением можно представить экспонентой

R = Ae− kt O ,

где A и k – коэффициенты, учитывающие конструктивные размеры и материал терморезистора;

e = 2,72 – основание натуральных логарифмов.

Полупроводниковые терморезисторы имеют малые размеры (например, это диск диаметром 10 – 12 мм, толщиной 1,5 – 2 мм или цилиндр

35

диаметром 2,5 – 3 мм длиной 10 – 12 мм с выводом для монтажа). Полупроводниковый терморезистор – это изделие электронной промышленности и применяется для термокомпенсации в электрических цепях различной аппаратуры.

Терморезисторы применяются как датчики регуляторов для объектов, где не требуется высокая точность регулирования температуры, например в зерно- и овощехранилищах.

Достоинством датчика является его высокая чувствительность (большое изменение сопротивления на один градус температуры), поэтому терморезистор как датчик применяют для контроля температуры, например сильно нагруженных подшипников скольжения в насосах большой производительности в тепловых сетях.

Термопары (по-другому – термоэлектрические термометры, термоэлектрические преобразователи) часто применяются как датчики температуры. Диапазон измерения температуры от – 200ºC до +2200ºC.

Как известно из курса физики, термопара представляет собой спай двух разнородных материалов, изготовленных в виде проволоки или тонкой пластины (рис. 2.4).

Если термопару поместить в объект, где необходимо измерить температуру, то на её электродах появляется напряжение постоянного тока, прямо пропорционально зависящее от температуры среды.

Термоэлектрический эффект был открыт в 1821 году Томасом Иоганном Зеебеком, профессором Берлинского университета.

Почти все металлы и их сплавы в различном сочетании обладают термоэлектрическим эффектом, но для практического использования пригодны лишь те, у которых на выходе напряжение генерируется в пределах от 0 до 500 микровольт, или от 0 до 1000 микровольт, или от 0 до 50 милливольт в измеряемом диапазоне температуры. Кроме того, для температуры выше 600ºC материал термопары должен быть тугоплавким.

В результате исследований найдены эффективные ряды сочетаний металлов и их сплавов для изготовления термопар.

Например, для измерения температуры до + 2200ºC применяется термопара, у которой один электрод выполнен из вольфрама, второй – из сплава вольфрама и рения. Такую термопару называют «вольфрамовольфраморениевая термопара».

36

Для термопар широко применяют сплавы: алюмель (94 % Ni, 2 % Al, 2,5 % Mn), хромель (89 % Ni, 9,8 % Cr, 1 % Fe), копель (55 % Cu, 45 % Ni), металлы-платина, родий и их сплавы, а также другие металлы и их сплавы. Хромель-алюмелевые термопары применяют для измерения температуры в диапазоне от – 50ºC до + 1000ºC. Платинородийплатинородиевые термопары применяют для измерения температуры длительно до 1600ºC.

Статическая характеристика термопары – это зависимость напряжения на выходе от температуры объекта измерения (рис. 2.5) и может быть представлена выражением

u = kt , ºC,

где u – напряжение на выходе;

k – коэффициент пропорциональности; t, ºC – температура.

u,( μB или мВ)

t, ºC

Рис. 2.5. Статическая характеристика термопары

Диапазон измеряемых температур с помощью термопар очень широкий (от – 200ºC до + 2200ºC), но это не значит, что измерение во всём диапазоне можно выполнить одной термопарой (одной конструкции). Для каждого поддиапазона температуры (иногда очень узкого), подбираются соответствующие материалы и сплавы для термопары, на заводеизготовителе термопары калибруются (как и терморезистор из металла) для соответствующей шкалы измерительного прибора.

Конструктивно выполнена термопара также как терморезистор из металла, их корпус может быть унифицирован. Различие состоит в намотке проводов-электродов на изоляторе (см. рис. 2.1): в термопаре два разнородных проводника наматываются параллельно в один слой.

Применяют в отдельных случаях дилатометрические датчики температуры (dilato – расширяю).

В этих датчиках используется эффект линейного расширения стержня из чистого металла или сплава при изменении температуры окружающей среды. Температурный диапазон применения датчика составляет – 50ºC … + 150ºC, его схематическая конструкция представлена на рис. 2.6.

Коэффициент линейного расширения инвара составляет 4,05·10-6 м/ºC (близок к стеклу), а коэффициент линейного расширения латуни 17,8·10-6 м/ºC, поэтому, например, при нагревании латунная трубка уве-

38

после датчика без усиления сигнала управления (например, возможность непосредственного включения исполнительного механизма).

Дилатометрический чувствительный элемент может быть не только стержневого типа, но и пластинчатого. В этом случае пластина представляет собой двухслойную конструкцию (две пластины соединены контактной сваркой): из инвара и латуни или стали. Из-за разности коэффициентов линейного расширения пластина при увеличении температуры изгибается и выполняет то или иное действие, например, размыкает электрический контакт (рис. 2.8).

Инвар

Электри-

ческий

контакт

Латунь

Рис. 2.8. Схематическая конструкция пластинчатого дилатометрического датчика

При остывании контакт вновь замыкается, в результате может быть выработан первичный сигнал управления в виде электрического напряжения.

Пластинчатые дилатометрические датчики применяют, например, для контроля нижнего значения температуры в приточной камере, чтобы предотвратить замораживание калорифера.

Приведём ещё одну разновидность датчика для измерения темпера-

туры. Он называется манометрический датчик температуры (чаще его называют термореле).

Принцип действия датчика основан на объёмном расширении газа при измерении температуры. Датчик состоит из термобаллона и сильфона, соединённых капиллярной трубкой (рис. 2.9).

Сильфон

Капиллярная трубка

Объект контроля

Рис. 2.9. Схематическая конструкция манометрического датчика температуры

39

Внутри объём термобаллона, капиллярной трубки и сильфона заполнен газом, например фреоном или легкорасширяющейся жидкостью. Поскольку газ или жидкость находятся в замкнутом объёме, то при увеличении температуры в объекте контроля давление в замкнутом объёме увеличивается, сильфон растягивается и замыкает электрический контакт в системе управления. Применяется такой датчик в регуляторах температуры холодильных установок, кондиционеров, тепловых сетей.

Статическая характеристика манометрического датчика температуры скачкообразная, релейная, как у дилатометрического датчика температуры.

Диапазон измеряемых температур – от – 50ºC до + 100ºC.

2.2.3. Датчики для измерения давления

Промышленным датчиком для измерения давления жидкостей или газов в трубах, сосудах является манометр электрический бесшкальный.

Такой датчик имеет выходное электрическое напряжение uвых , пропорциональное измеряемому давлению P.

uвых = k × p ,

где k – коэффициент пропорциональности.

Схематическая конструкция датчика представлена на рис. 2.10. Перемещение измерительной мембраны под действием измеряющего

давления P в трубе или сосуде передаётся через тягу или шток на стальной сердечник дифференциально-трансформаторного преобразователя

(рис. 2.11).

Дифференциально-трансформаторный преобразователь состоит из трёх обмоток – сетевой или первичной 1 и двух вторичных 2 и 3. Между обмотками находится сердечник 4, получающий перемещение под действием элементов, перемещение которых в свою очередь необходимо измерять. Принцип действия датчика следующий. Если сердечник 4 занимает симметричное положение (среднее) относительно вторичных обмоток 2 и 3, то в них наводятся, как в трансформаторе, равные амплитуды напряжения u1 и u2 , фазы этих напряжений противоположны (рис. 2.11б), при сложении напряжений u1 и u2 суммарное выходное напряжение uвых равно нулю.