4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

наличие скользящего контакта между щетками и коллектором, что приводит к снижению надежности тахогенератора и к нестабильности выходной характеристики;

наличие зоны нечувствительности;

пульсации выходного напряжения;

не могут измерять очень медленное вращение из-за того, что амплитуда генерируемого сигнал становится очень малой;

напряжение на выходе зависит от сопротивления измеряемой цепи; помехи радиоприему, для подавления которых в некоторых случаях

приходится применять специальные меры.

2.12.5 Асинхронные тахогенераторы

Асинхронный тахогенератор – двухфазный асинхронный двигатель (микроэлектрическая машина), представлена на рисунке 2.68 а.

ОВ

UВ UВых

Рисунок 2.68 – Асинхронный тахогенератор (а) и синхронный тахогенератор (б)

Полый ротор выполняется из высокоомных материалов (латунь, константан). За счет применения этих материалов достигается высокая температурная стабильность. Обмотка возбуждения создает пульсирующий магнитный поток, направленный по продленной оси машины (продленная ось машины совпадает с осью полюсов обмоток на статоре сердечника). При неподвижном роторе магнитный поток возбуждения индуцирует в роторе трансформаторную ЭДС. Сам полый ротор можно считать состоящим из отдельных элементов, проводников, которые замкнуты на торцах. Так как они замкнуты под действием трансформаторной ЭДС, протекают токи, направление которых совпадает с поперечной осью машины.

Эти токи создают магнитный поток, направленный навстречу потоку возбуждения. В результате результирующий поток направлен по продольной оси. В выходной обмотке (генераторной) ЭДС равно 0 (при неподвижном роторе), т. к. магнитный поток скользит по обмотке. При вращении ротора элементарные проводники ротора пересекают магнитные силовые линии потока возбуждения. Напряжение индуцируется в проводниках ЭДС – вращения. Под действием этой ЭДС в элементарном проводнике будут течь токи, создающие магнитное поле, направленное по поперечной оси. Этот поток пропорционален частоте вращения. Поток по поперечной оси сцепляется с выходной обмоткой и в ней индуцируется выходная ЭДС, пропорциональная скорости вращения. Выходное напряжение будет зависеть от сопротивления нагрузки:

121

U вых E I я rя .

Линейность характеристики зависит от полного сопротивления нагрузки. При высоких скоростях характеристика нелинейная. Для уменьшения скоростных погрешностей ТГ выбирают с такой синхронной скоростью, при которой значение относительной частоты вращения ротора составляет s=0,3.

Преимущества:

большая надежность;

отсутствие скользящих контактов;

малоинерционность, обусловленная малым моментом инерции ротора;

наличие малого момента сопротивления (трения в подшипниках и тормозящего электромагнитного) вследствие отсутствия радиальных и аксиальных сил, действующих на ротор;

устойчивость к вибрациям.

неплохая стабильность характеристик.

Недостатки:

нелинейность выходной характеристики;

наличие фазовой погрешности;

наличие нулевого (остаточного) напряжения;

малая выходная мощность, что приводит к необходимости увеличения габаритных размеров (асинхронный тахогенератор в 2...4 раза больше тахогенератора постоянного тока с такой же выходной мощностью);

низкий cosφ;

напряжение на выходе зависит от сопротивления измеряемой цепи;

не могут измерять очень медленное вращение из-за того, что амплитуда генерируемого сигнал становится очень малой;

большие масса–габаритные показатели.

2.12.6 Синхронные тахогенераторы переменного тока

Представляют собой бесколлекторные синхронные машины с ротором, подмагниченным постоянным магнитом. На статоре расположены одна или несколько обмоток (см. рисунок 2.68 б). Такой тахогенератор преобразует скорость вращения ротора в переменное напряжение, амплитуда и частота которого прямо пропорциональны скорости вращения ротора.

Этот тип тахогенератора можно охарактеризовать переменной частотой, это представляет затруднение для применения в схемах стандартного предназначения, переменного тока. Он отличается нечувствительностью к изменению направления вращения вала двигателя. В синхронных тахогенераторах используется большое количество пар полюсов. По этой причине, синхронные тахогенераторы применяются для электроприводов с небольшой скоростью вращения вала. Часто ротор выполняют в виде многополюсного постоянного магнита, поэтому на 1 оборот ротора генерируется несколько периодов выходного сигнала.

122

Измерения скорости вращения допустимо двумя способами – частотным и амплитудным.

Частотный способ определения скорости вращения

Частотный метод для СТГ является самым точным, т. к. на частоту выходного сигнала не оказывают влияния такие факторы как, изменения температуры, величина зазора между статором и ротором, уменьшение магнитного потока, вызванное старением магнитов и т.д.

Но, к сожалению, при определении скорости вращения частотным способом требуется время для определения частоты выходного сигнала UВых путём накопления импульсов, что не даёт возможности получать мгновенно информацию об изменениях скорости.

После определения частоты fВых выходного сигнала UВых, скорость вращения ротора вычисляют по формуле:

fВыхp ,

где fВых – частота сигнала UВых на выходе тахогенератора, Гц; p – число пар полюсов ротора тахогенератора.

Для более точного определения частоты вращения ротора необходимо большее количество времени, в течение которого частота может изменяться. А изменение частоты во время накопления импульсов для её определения вносит погрешность в измерения. Это плохо сказывается на динамичности системы управления в целом, т.к. её схема управления, в таких случаях, более медленно компенсирует уменьшение или увеличение скорости вращения. Чтобы как-то уменьшить вышеуказанный недостаток, используют синхронные тахогенераторы с большим количеством полюсов. Это даёт возможность сократить время для определения выходной частоты, что в свою очередь позволяет сократить время реакции схемы управления.

Частоту выходного сигнала можно определять по следующей формуле:

fВых NN ,

Ti

i 1

где N – число накопленных импульсов; Т – длина каждого периода.

Амплитудный способ определения скорости вращения

Амплитудный способ выгодно отличается от частотного простотой схемы управления, но не очень точен из-за: температурных колебаний; зазоров между статором и ротором; старения магнитов ротора, влияющее на величину магнитного потока; частотной модуляции, оказывающей воздействие на реактивные элементы электрической цепи. Как и в других типах тахогенераторов, при увеличении скорости вращения ротора возрастает и генерируемая в обмотке статора ЭДС. Для «считывания» значений этой ЭДС обычно используют выпрямитель (одноили двухполупериодный) и НЧ фильтр, назначение которого сглаживать пульсации.

123

Преимущества:

отсутствие посторонний источник питания для обмотки возбуждения;

возможность точного определения частоты вращения частотным способом;

остальные преимущества такие же, как и у асинхронного тахогенератора.

Недостатки:

напряжение на выходе зависит от сопротивления измеряемой цепи;

не симметрия воздушного зазора, она способствует возникновению низкочастотных пульсаций;

магнитный поток сопровождается зубцовыми пульсациями;

параметры машины зависят от температурных изменений;

определение скорости вращения частотным способом требуется время для определения частоты выходного сигнала;

не могут измерять очень медленное вращение из-за того, что амплитуда генерируемого сигнал становится очень малой;

невозможность определения направления вращения.

Условия и меры, применяемые при эксплуатации синхронных тахогенераторов для компенсации погрешностей аналогичны мерам, используемым для тахогенераторов постоянного тока. Пульсации выпрямленного напряжения выравниваются за счет изготовления конструкции ротора с полюсами специального профиля, благодаря этому получается необходимая ЭДС. Снижение зубцовых пульсаций происходит за счет использования сглаживающего фильтра.

С развитием электроники тахогенераторы все чаще заменяются на импульсные датчики, например, схемы с оптронами открытого типа, формирующие импульсы при отражении пучка света от контрастных меток на валу или на прерывания луча света обтюратором – датчики угла поворота (энкодеры), либо импульсные индукционные датчики, датчики Холла и прочие подобные импульсные электронные датчики.

2.13 Уровнемеры

2.13.1 Общие положения

Уровнемер – прибор, предназначенный для определения уровня содержимого в открытых и закрытых сосудах, резервуарах, хранилищах и других ёмкостях. Под содержимым подразумеваются разнообразные виды жидкостей, в том числе и газообразующие, а также сыпучие и другие материалы. Главное отличие уровнемера от сигнализатора уровня – это возможность измерять градации уровня, а не только его граничные значения.

По результатам измерения уровня судят об объемном количестве вещества, содержащегося в резервуарах (баках, цистернах, танках и т. п.). Для этого используют либо мерные емкости постоянного (по высоте) поперечного сечения (например, мерные баки объемных расходомерных установок), либо

124

специальные тарировочные таблицы, ставящие в соответствие каждому текущему значению уровня значение объема резервуара.

Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерений (устройств для линеаризации функций преобразования, отсчетных устройств и т. д.). Первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую величину – уровень – и преобразует ее в выходной сигнал, поступающий на последующие преобразователи, или в показания, отсчитываемые по шкале уровнемера.

К числу методических погрешностей, присущих любым процессам измерения уровня жидкостей, относятся: погрешность ориентации датчика в сосуде и температурная.

Измерение уровня может быть непрерывным или точечным. Датчики непрерывного уровня измеряют уровень в заданном диапазоне и определяют точное количество вещества в определенном месте, в то время как датчики точечного уровня указывают только, находится ли вещество выше или ниже точки восприятия. Как правило, последние обнаруживают минимально или максимально допустимые уровни.

Существует множество факторов, которые влияют на выборе метода измерения уровня. Критерии отбора включают физическую фазу (жидкость, твердое вещество или суспензию), температуру, давление или вакуум, химический состав, диэлектрическую постоянную среды, плотность (удельный вес) среды, перемешивание, акустический или электрический шум, вибрацию, тип резервуара, его размер и форма. Также важны ограничения: цена, точность, внешний вид, скорость измерения, простота калибровки или программирования, физические размеры и установка инструмента, контроль непрерывного или дискретного (точечного) уровня.

Погрешность из-за неправильной пространственной ориентации датчика возникает вследствие неточностей установки сосуда, монтажа датчика уровнемера на нем, деформации несущих элементов транспортируемых сосудов при их заполнении и опорожнении, неравномерной осадки фундаментов стационарных емкостей – хранилищ и т. д. Все это, в конечном счете, приводит к несовпадению трассы измерения уровня с перпендикуляром к поверхности раздела сред.

В настоящее время существует разнообразный ряд технических средств, решающих задачу измерения и контроля уровня. Средства измерения уровня реализуют разнообразные методы, основанные на различных физических принципах. К наиболее распространённым методам измерения уровня, которые позволяют преобразовать значение уровня в электрическую величину и передавать её значение в автоматические системы управления, относятся:

контактные методы:

–волноводный;

–поплавковый;

–емкостной;

–гидростатический;

125

–буйковый; бесконтактные методы:

–зондирование звуком;

–зондирование электромагнитным излучением;

–зондирование радиационным излучением.

2.13.2 Визуальные уровнемеры

Простейший уровнемер (визуальный) – водомерное стекло, в котором использован принцип сообщающихся сосудов, служит для непосредственного наблюдения за уровнем жидкости в закрытом сосуде (см. рисунок 2.69). Указательное стекло соединяют с сосудом нижним концом (для открытых сосудов) или обоими концами (для сосудов с избыточным давлением или разрежением). Наблюдая за положением уровня жидкости в стеклянной трубке, можно судить об изменении уровня в сосуде. Стёкла комплектуют вентилями или кранами для отключения их от сосуда и продувки системы.

При соответствующем (исключающем влияние мениска) диаметре мерной трубки, подсветке поверхности раздела и использовании специальных средств отсчета (например, катетометров) погрешность визуальных уровнемеров при неподвижной поверхности жидкости может быть сведена к десятым и даже сотым долям миллиметра. Вследствие этого они находят широкое применение в поверочных установках с мерными баками, образцовых мерниках. Сложность дистанционных измерений уровня, невозможность использования в системах регулирования автоматизированными технологическими процессами препятствуют широкому промышленному применению визуальных уровнемеров.

Не рекомендуется использовать указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при контроле уровня, изменяющегося больше чем на 0,5 м, устанавливают несколько стекол таким образом, чтобы верх предыдущего стекла перекрывал низ последующего.

1 2 3

100

H

0

Рисунок 2.69 – Визуальный уровнемер

126

2.13.3 Поплавковые уровнемеры

Поплавковые – уровнемеры с чувствительным элементом (поплавком), тогда измерение происходит по оценке положения предмета на поверхности жидкости относительно двух точек измерений.

На рисунке 2.70 а представлен уровнемер, показания которого считываются с помощью груза, соединенного гибким тросом с поплавком – чем выше уровень жидкости, тем больше опуститься груз. Линейные перемещения груза преобразуются в электрический сигнал, который и будет сигнализировать об уровне жидкости

На рисунке 2.70 б представлен магнитный байпасный индикатор уровня, функционирующий по принципу сообщающихся сосудов. Измерительная камера устанавливается вплотную к ёмкости таким образом, чтобы условия в измерительной камере и в ёмкости были одинаковыми. Поплавок оснащён системой постоянных магнитов, предназначенных для передачи измеренных значений на локальный индикатор. Система магнитов поплавка либо активирует магнитные пластины (флажковый индикатор) в соответствии с уровнем жидкости, либо перемещает магнитный указатель в индикаторе в зависимости от выбранного способа индикации. Индикация уровня осуществляется посредством изменения положения группы вертикально расположенных магнитных флажков или исходя из положения магнитного указателя.

Поплавковые измерительные приборы делятся на уравнемеры узкого и широкого диапазонов.

Поплавковые уровнемеры узкого диапазона представляют собой устройства, содержащие шарообразный поплавок, выполненный из нержавеющей стали, который плавает на поверхности жидкости и через штангу и специальное уплотнение соединяется или со стрелкой измерительного прибора, или с преобразователем угловых перемещений в унифицированный электрический или пневматический сигналы.

Рисунок 2.70 – Поплавковые уровнемеры узкого (а) и широкого (б) диапазона: 1 – поплавок, 2 – поплавковый гибкий трос, 3 – груз, 4 – шкала

127

Поплавковые уровнемеры широкого диапазона представляют собой: поплавок, связанный с противовесом гибким тросом, в нижней части противовеса укреплена стрелка, указывающая значения уровня жидкости в резервуаре.

Важной характерной особенностью поплавковых уровнемеров, является высокое разрешение прибора 0,1 мм и точность измерений – 1 мм.

Область применения поплавкового метода измерения уровня очень широка. Его нельзя применять только в средах, образующих налипание, а также отложение осадка на поплавок. Типичным применением поплавковых уровнемеров является измерение уровня топлива, масел, легких нефтепродуктов в относительно небольших емкостях и цистернах. Поплавковый метод может с успехом применяться в случае пенящихся жидкостей, а для липких сред существуют вибрационные поплавковые указатели уровня жидкости.

Преимущества:

простая конструкция;

надёжны и просты в обслуживании;

выдерживают высокое давление и температуру;

независимость измерений от химического состояния жидкости;

доступная цена.

Недостатки:

нет функций самодиагностики, поэтому рекомендуется осуществлять регулярный контроль их состояния и техническое обслуживание; подвижные части таких сигнализаторов подвержены загрязнению

липкими или вязкими жидкостями;

работа поплавка может зависеть от колебаний в жидкости; плескания и небольшие вибрации могут исказить показания поплавка;

не пригодны для вязких жидкостей (дизельного топлива, мазута, смол) из-за залипания поплавка, обволакивания его вязкой средой;

при измерении уровня криогенных жидкостей из-за кипения верхнего слоя возникает вибрация поплавка, что приводит к искажениям результатов измерения.

2.13.4 Буйковые уровнемеры

Буйковые уровнемеры работают по принципу вытеснения. Согласно этому принципу длина тела, погружённого в жидкость, соответствует диапазону измерения уровня. Подвешенный на измерительной пружине стерженьвытеснитель погружён в жидкость, и на него в соответствии с законом Архимеда воздействует выталкивающая сила, пропорциональная массе вытесненной телом жидкости. Изменению выталкивающей силы точно соответствует изменение длины пружины, что позволяет измерить уровень. Изменение длины пружины преобразуется при помощи магнитной системы в изменение уровня и передаётся на индикатор.

Цилиндрический буёк, который изготовлен из материала, плотность которого больше плотности жидкости, является чувствительным элементом

128

Если уровень контролируемой среды становится выше h0 (например, h), то часть буйка длиной (h – h0) погружается в жидкость, поэтому вес буйка уменьшается на некоторую величину, определяемую как

F =ρgS(h − h0).

Следовательно, уменьшается и момент М1, создаваемый буйком на штанге 2. Так как момент М2 становится больше момента М1, штанга поворачивается вокруг точки 0 по часовой стрелке и перемещает рычаг 3 измерительного преобразователя 5. Электрический или пневматический измерительный преобразователь формирует выходной сигнал. Движение измерительной системы происходит до тех пор, пока сумма моментов всех сил, действующих на рычаг 2, не станет равной нулю. Уплотнительная мембрана 6 служит для герметизации технологической емкости при установке в ней чувствительного элемента. Как вариант, буек может быть установлен в специальной выносной камере вне технологической емкости.

Диапазон измерения буйковых уровнемеров находится в пределах от 0,025 м до 16 м. Особенность буйковых уровнемеров – наличие начального (неконтролируемого) уровня, от которого ведется отсчет показаний. Размер начального уровня составляет обычно 4–10 мм. Он необходим для устранения влияния сил поверхностного натяжения, которое максимально в момент касания (или отрыва) буя поверхности жидкости. С этой же целью используют специальные покрытия, уменьшающие налипание жидкости на поверхности буя.

Преимущества и недостатки такие же, как и в поплавковых уровнемерах.

2.13.5 Емкостной уровнемер

Работа емкостных уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке. Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных и неэлектропроводных жидкостей. Электропроводными считаются жидкости, имеющие, удельное сопротивление ρ<106 Ом∙м и диэлектрическую проницаемость εж≥7. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы. Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней. В качестве электрода может использоваться металлическая стенка сосуда. Часто применяются цилиндрические электроды, обладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей технологичностью, лучшей помехоустойчивостью и обеспечивающие большую жесткость конструкции.

130