Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологические процессы автоматизированных производств. Учебное пособие
.pdf
Кондуктометрический датчик (рис. 25).
Рис. 25. Схема кондуктометрического датчика
Его принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления контролируемого материла от его влажности (чем больше влажность, тем
меньше сопротивление). Он представляет собой два стальных ролика (сопротивление которых ничтожно), между которыми пропускается контролируемый
материал. Датчик этот контактный и требует стабильного усилия прижима ро-
ликов.
Емкостной датчик (рис. 26). Это конденсатор, между пластинами которого пропускается материал. В данном случае емкость конденсатора С
зависит
х
от диэлектрической проницаемости материала, определяемой его влажностью
(формула емкости конденсатора приведена выше при описании емкостного
датчика уровня). Площадь пластин и расстояние между пластинами неизменны.
Датчик бесконтактный, но требует в измерительной схеме напряжения повышенной частоты (1000 Гц) для обеспечения хорошей чувствительности к изме-
нению влажности.
Рис. 26. Схема емкостного датчика влажности материала
5.5. Датчики расхода
На рис. 27 приведены датчики расхода жидкости с сужающим устройством, с напорной трубкой, ротаметр и турбинный датчик. Первые два используют разность давлений, измеряемых двумя манометрами. При использовании
сужающего устройства перед ним происходит торможение потока и давление
21
повышается, а за ним происходит разгон потока и давление понижается. По
а б в
г
разности давлений Р
и Р2 можно судить о величине расхода.
1
При использовании напорной трубки, смотрящей навстречу потоку, давление в трубке будет больше, чем давление у стенки трубы. По разности давлений Р
и Р2 можно также судить о величине расхода.
1
Ротаметр представляет собой конический участок трубы, по которой
жидкость движется снизу вверх. В трубе помещен грузик, который зависает в
потоке на уровне, зависящем от интенсивности потока.
Турбинный датчик в отличие от предыдущих измеряет количество прошедшей жидкости. Вторичный преобразователь индуктивного типа формирует
сигнал, характеризующий число оборотов турбинки.
Рис. 27. Датчики расхода жидкостей (а – г):
1 – вторичный преобразователь; 2 – лопасти; 3 – подшипники
5.6. Датчики вязкости
В лабораторных условиях вязкость жидкости определяется по времени ее
истечения через капилляр или по времени опускания шарика в цилиндре с жид-
22
костью. В производственных условиях может использоваться следующее
устройство – ротационный вискозиметр.
Рис. 28. Ротационный вискозиметр:
1 – цилиндрическая емкость; 2 – неподвижный цилиндр;
2 – вращающийся цилиндр; 4 – двигатель (мотор)
Его структура пояснена на рис. 28. Контролируемая жидкость залита в
емкость 1. Неподвижный цилиндр 2 и цилиндр 3, вращающийся двигателем 4,
перфорированные, что увеличивает их сцепляемость с жидкостью. При враще-
нии цилиндра 3 возникает жидкостное трение, зависящее от вязкости жидкости.
С увеличением вязкости повышается сопротивление вращению двигателя, при
этом он потребляет больший ток, что фиксируется амперметром А. По изме-
ренной величине тока можно судить о вязкости жидкости.
5.7. Датчики скорости
Скорость работы устройств обычно определяется частотой вращения
приводных механизмов. Ее и необходимо измерять. Одним из датчиков скоро-
сти вращения является тахометр (рис. 29).
23
Рис. 29. Схема тахометра
Тахометр представляет собой два груза, шарнирно прикрепленные к вращающемуся валу. На грузы действуют центробежные силы, зависящие от ско-
рости ω вращения вала. Эти силы разводят грузы, сжимая пружину. Положение
нижней втулки устройства относительно шкалы характеризует скорость (часто-
ту) вращения вала. Это ручной измеритель.
В системах автоматизации скорость вращения механизмов измеряется та-
хогенераторами. Это малогабаритные и маломощные генераторы постоянного
или переменного тока. Вырабатываемое ими напряжение зависит от частоты
вращения их ротора, связанного с контролируемым валом механизма.
5.8. Датчик концентрации растворов
Рис. 30. Кондуктометрический датчик концентрации растворов
Схема кондуктометрического датчика приведена на рис. 30. Он представляет собой разъемный цилиндр 1 из изолятора, в который заключены четыре стальных кольцевых электрода 2. Контролируемая жидкость находится
внутри цилиндра и контактирует с электродами. К верхнему и нижнему электродам подведено небольшое входное напряжение Uвх переменного (чтобы минимизировать эффект электролиза) тока. Ток протекает в жидкости и зависит от
24
ее удельного сопротивления, которое определяется концентрацией раствора.
Чем концентрация выше, тем удельное сопротивление меньше. С внутренних
электродов снимается напряжение U
, зависящее от тока, а значит, от кон-
вых
центрации раствора. Такой датчик способен измерять небольшие концентрации
химикатов.
Для контроля больших концентраций используются плотномеры, принцип действия которых аналогичен принципу действия буйкового датчика уровня жидкости, рассмотренного выше, т.е. базируется на законе Архимеда, только
в данном случае уровень жидкости должен быть неизменен, а выталкивающая
силе, действующая на буек, будет зависеть от плотности жидкости, а значит, от
концентрации растворенного химиката.
6. Основы теории измерений
Измерение – это сравнение измеряемой величины с величиной, принятой
за единицу.
Любые измерения сопряжены с погрешностями. Рассмотрим их.
Абсолютная погрешность
Это разность между результатом измерения А и истинным значением из-
меряемой величины А
:
0
Δ = А - А0.
Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к
результату измерения, выраженное в процентах:
Приведенная погрешность (характеристика измерительного прибора,
она определяет класс точности прибора):
где Δ – абсолютная погрешность, ожидаемая от прибора;
N – ширина шкалы прибора.
Диапазон классов точности весьма широк 0,02 ≤ ≤ 4. Приборы высокого
класса точности дорогие и требуют особых условий эксплуатации. Приборы
низкого класса точности дешевы и неприхотливы. В технике наиболее широко
применяются приборы класса точности 0,5.
Есть еще один подход к классификации погрешностей.
Погрешности
25
Систематические Случайные
Систематические погрешности повторяются от измерения к измерению.
У стрелочного прибора их причиной может быть погнутая стрелка или неточная градуировка шкалы. Надо правильно выбрать класс точности прибора в со-
ответствии с требуемой точностью измерения.
Случайные погрешности меняются от измерения к измерению. Причиной
может послужить угол зрения на стрелочный прибор, влияние внешних факторов (температуры, вибраций, электромагнитных полей).
Для борьбы со случайными погрешностями используют многократные
измерения интересующей нас величины с последующей статистической обра-
боткой результатов. Определяется среднее значение А величины (математиче-
ское ожидание) и ее дисперсия, характеризуемая среднеквадратическим откло-
нением Ϭ, где A
– результаты измерения, n – число измерений, которое по
i
теории вероятности, желательно, сделать как можно большим.
А
Ϭ
Случайные погрешности обычно характеризуются нормальным законом
распределения (рис. 31). По оси абсцисс отложены результаты измерения A
по оси ординат f – частота появления конкретного результата.
i,
а
26
Рис. 31. Кривая нормального распределения результатов измерения
Площадь под кривой, определяющей вероятность появления конкретного
результата, всегда равна 1, так как какой-то результат будет получен всегда.
Кривая представляет собой симметричный холм, вершина которого располага-
ется над . В диапазон ±3σ относительно значения
укладывается вероят-
ность появления результата, равная 0,997, т. е. всего на 3 % меньше единицы.
Таким образом, среднеквадратическое отклонение Ϭ характеризует разброс ре-
зультатов, а значит и качество проведения измерительного эксперимента.
Штриховая линия на рис. 31 характеризует большой разброс результатов. Чем
больше разброс, тем меньше доверия к тому, что вычисленное среднее значение
соответствует истинному значению измеряемой величины.
7. Измерительные схемы
Типы измерительных схем:
мостовая;
дифференциальная;
компенсационная.
7.1. Мостовая измерительная схема
Мостовая измерительная схема приведена на рис. 32.
27
Рис. 32. Мостовая измерительная схема
Схема представляет собой 4 резистора, собранные в кольцо. Резисторы
, , ,
образуют плечи моста, точки их соединения a, b, c, d – вершины
моста, противолежащие вершины образуют диагонали моста. Диагональ ab –
питающая (на нее подается напряжение), диагональ cd – измерительная, в нее
включен амперметр А.
Схема обладает следующим свойством: если выполняется условие
, то ток в диагонали cd равен нулю. Мост сбалансирован. Ес-
ли это условие не выполняется, то мост разбалансирован и величина тока в диагонали cd зависит от степени разбаланса.
Если один из резисторов, например
, является датчиком какого-либо
технологического параметра (например, терморезистором или кондуктометри-
ческим датчиком влажности), то прибор будет показывать значение этого пара-
метра (измерять его). Поэтому схему и называют измерительной.
Такая схема называется неравновесным мостом. При ней об изменении R1
мы судим по величине тока в диагонали cd. Она обладает определенным недостатком. Если измеряемый технологический параметр меняется в широком
диапазоне, то амперметр в диагонали cd должен иметь широкую шкалу, а значит, чувствительность схемы к малым изменениям параметра будет невелика.
Этого недостатка лишен так называемый равновесный мост (рис. 33).
28
Рис. 33. Схема равновесного измерительного моста
В этой схеме при изменении R1 и появлении тока в диагонали cd мост
принудительно балансируется перемещением движка реостата
нулевого тока. Об изменении R
судим по положению движка
1
, добиваясь
. В этом случае
амперметр А может быть высокой чувствительности и с очень узкой шкалой
(так называемый нуль-индикатор).
Практически использование такой схемы крайне неудобно, так как все
время приходится заниматься балансировкой моста. Эту функцию можно возложить на саму схему в варианте электронного автоматического моста (рис.
34).
В такой схеме используется принцип равновесного моста. При изменении
R1 напряжение разбаланса моста с диагонали cd подается на усилитель УС,
управляющий двигателем М. Последний перемещает движок реостата
, ба-
лансируя мост, и поворачивает стрелку, показывающую текущее значение измеряемого параметра. Благодаря наличию усилителя схема имеет очень высо-
кую чувствительность.
Рис. 34 Схема электронного автоматического моста
29
7.2. Дифференциальная схема
Дифференциальная схема приведена на рис. 35.
Рис. 35. Дифференциальная измерительная схема
В этой схеме, питаемой переменным током, два электрических контура
имеют общую ветвь, в которую помещен измерительный прибор. В контуры
включены потенциометры R1 и R2. Если R1 = R
, то ток в общей ветви равен ну-
2
лю на любой полуволне питающего напряжения. Когда равенство нарушается,
прибор показывает ток, зависящий от степени неравенства токов в контурах.
Если можно сделать так, чтобы при изменении технологического параметра одновременно изменялись сопротивления обоих резисторов, причем в разную
сторону, то чувствительность измерительной схемы будет вдвое больше.
На рис. 35 показан такой вариант. Измеряемым технологическим пара-
метром является давление сжатого воздуха Р. В качестве датчика использован
сильфон, подвижное донышко которого механически связано с двумя движками потенциометров R1 и R
, активная часть которых зачернена. При увеличении
2
измеряемого давления движки смещаются вправо, значит, сопротивление R
уменьшается, а сопротивление R2 одновременно увеличивается. Чувствительность измерительной схемы удвоилась.
Подобный эффект в случае использования дифференциальной измери-
тельной схемы имеет место и при измерении силы F (рис. 36) с помощью
стальной балочки, на которую наклеены тензорезисторы R1 и R
, меняющие
2
свое сопротивление при деформации. Под действием силы F балочка изгибается вниз, резистор R1 растягивается, а R2 сжимается. Их сопротивления изменяются в разную сторону, а значит, чувствительность схемы при измерении силы
F удваивается.
1
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]