Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие
.pdf
111
Пусть номинал конденсатора С достаточно большой и ключи разомкнуты, тогда имеет обычный инвертирующий усилитель. Когда ключи замкнуты,
то на обкладках конденсатора С ненулевое выходное напряжение U
ВЫХ
.
Рис. 12.3. Схема усилителя с автоматической коррекцией нуля
Принцип компенсации смещения нуля сводится к тому, что ключевой
схемой усилитель периодически переводится в режим включения с единичной
ОС и закороченным входом. На входе усилителя при этом возникает напряжение смещения нуля, соответствующее данному режиму работы усилителя, которое запоминается на емкости. При размыкании ключей запоминаемое напряжение смещения автоматически подается на вход усилителя. Ключи К1 и К2
согласованны (коммутируют одновременно).
При таком способе коррекции в течение длительности включенного состояния ключей сигнал на выходе усилителя пропадает. Для устранения этого
эффекта схема дополняется устройством выборки хранения.
Схема, дополненная устройством выборки хранения представлена на рис. 12.4.
В положении ключей, показанных на рис. 12.4:
2
1
1
R
R
K
U
+=
.
В противоположном положении ключей:
2CВЫХ
UU =
,
011==
−+
DADA
UU
.
DA1D
R1 С R2
К2
К1
Uвых
Uвх
112
На выходе ОУ DA2 формируется смещение нуля, оно запоминается через
замкнутый ключ К4 на емкости С1.
Схема снабжена двумя устройствами выборки хранения (УВХ):
1. На емкости С1 — ОУ DA3 — ключ К4.
2. На емкости С2 — ОУ DA4 — ключ К5.
Принцип работы УВХ заключается в том, что при замкнутом ключе
напряжение на запоминающей емкости повторяет напряжение на выходе ОУ
DA2. При разомкнутых ключах напряжение на емкости остается неизменным в
течении длительного времени (к емкости подключено большое входное сопротивление ОУ, ОУ с единичной ОС).
УВХ на ОУ DA4 сохраняет значение выходного напряжения на интервале
коррекции напряжения смещения нуля. УВХ на ОУ DA3 сохраняет собственно
напряжение смещения нуля. Ключи К5 и К3, а также К4 и К2 согласованны
(коммутируют одновременно).
Рис. 12.4. Схема усилителя, дополненная устройством выборки хранения
При данной структуре схема позволяет устранить ошибку от дисбаланса
входных токов.
Существуют схемы коррекции напряжения смещения нуля без прерывания усиления входного сигнала, однако их сложность становится сравнимой со
сложностью усилителей, построенных по структуре МДМ (модулятордемодулятор).
Uвых
К1
К2
К3
К5
Uвх
К4
113
13. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
Широкое распространение систем регулирования параметров жидкостей
и газов в настоящее время обусловлено использованием жидкостей и газов в
качестве носителей энергии и для других технологических целей. К механическим свойствам жидкостей и газов, которые необходимо контролировать при
разработке различного класса систем автоматического регулирования следует
отнести:
1) расход;
2) давление;
3) температура;
4) уровень заполнения (для жидкостей);
5) влажность (удельное содержание воды).
13.1. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Расход — это количество реагента (жидкости или газа), проходящее че-
рез мерное сечение в единицу времени.
Расходомеры — это преобразователи, которые используются для изме-
рения потока. Они реагируют на скорость и расход жидкого или газообразного
вещества за заданный период времени.
Массовый расход представляет собой массу вещества, протекающую в
единицу времени, и измеряется в кг с
–1
.
Объемный расход, м3 с–1, равен объему вещества, протекающего в единицу времени.
Расход оценивают в массовых единицах или в объемных единицах при
известной плотности реагента. При фиксированном сечении трубопровода измерение расхода может быть сведено к измерению скорости потока реагента.
Основными методами измерения расхода являются:
1) применение механических расходомеров;
2) применение расходомеров на основе избыточного давления;
3) применение термоанемометрических принципов;
4) применение ультразвуковых методов измерения;
5) вихревые расходомеры.
Механические расходомеры. Простейшими и наиболее распространен-
ными являются методы определения расхода с использованием чувствительных
механических элементов, в которых поток перемещает или вращает чувствительный орган.
114
V
а)
x
V
б)
V
в)
Рис. 13.1. Основные механические методы измерения расхода
На рис. 13.1, а — применение подвижной заслонки — конструктивно
наиболее простой способ создания датчика расхода. Измеряемой величиной является угол отклонения заслонки. Зависимость угла отклонения от величины
расхода нелинейна, что является существенным недостатком расходомеров такого типа.
На рис. 13.1, б — расходомеры на основе подвижного штуцера преобразуют величину расхода в перемещение штуцера. Выбор определенного профиля
чувствительного элемента позволяет линеаризовать характеристику зависимости его перемещения от величины расхода. Динамический диапазон чувствительного элемента может составлять 60–80 дБ. Преобразование механического
перемещения в электрический сигнал осуществляется емкостным или электромагнитным датчиками. Недостаток — сильная зависимость показаний чувствительного элемента от свойств измеряемого реагента (вязкость, плотность). На
точность влияет изменение жесткости, зависящей от температуры.
На рис. 13.1, в — расходомеры на основе крыльчатки преобразуют расход в угловую скорость вращения. Такие расходомеры являются наиболее точными, однако создают значительное сопротивление протекающему потоку реагента.
Расходомеры на основе избыточного давления. Если жидкость или газ
нагнетаются через некоторое препятствие в трубопроводе, то изменение их
скорости вызывает перепад давления, пропорциональный расходу. Для измерения разности давлений используются дифференциальные манометры. Они могут преобразовывать информацию о избыточном давлении как в показания
шкалы, так и в электрический сигнал.
115
Vа)Р1
Р2
V
б)
Р1
Р2
S1
S2
Рис. 13.2. Расходомеры на основе избыточного давления
Расходомеры на основе избыточного давления строятся по двум основным принципам:
1. Трубки Пито (рис. 13.2, а). Трубка датчика вводится через стенку ос-
новного трубопровода и направляется своим отверстием навстречу потоку
жидкости или газа. Разность давлений Р1 и Р2 (Р1 < Р2) определяет расход.
2. Закон Бернулли (рис. 13.2, б). Если S2 < S1, то P1 > P2. Точность из-
мерения расхода при применении этого метода зависит от точности дифференциальных манометров. Недостаток: нелинейная зависимость дифференциального давления от скорости протекающего потока.
Термоанемометрические расходомеры. Термоанемометрические расхо-
домеры работают на принципе пропорциональности тепла, переносимого веществом от одной точки к другой, массовому расходу этого вещества.
На рис. 13.3, а показано, как два измерительных преобразователя температуры определяют температуру вещества до и после нагревания (t0 < t1), которое осуществляется нагревательным элементом, расположенным между ними.
V
а)
u
t
0
t
1
Q
V
б)
u
R
Рис. 13.3. Термоанемометрические расходомеры
116
На рис. 13.3, б расход вещества измеряется с помощью одиночного
нагревательного элемента, расположенного в его потоке. Чем больше скорость
протекания реагента, тем больше охлаждается нагревательный элемент.
Ультразвуковые расходомеры. Ультразвуковые расходомеры исполь-
зуют эффект Доплера, возникающий при распространении ультразвуковых колебаний в подвижной среде.
V
а)
f1
f2
V
б)
f1f2f0
Рис. 13.4. Ультразвуковые расходомеры
Эффект Доплера заключается в том, что частота принимаемого сигнала f2
увеличивается по сравнению с f1, если среда — переносчик сигнала — перемещается по направлению от передатчика к приемнику (рис. 13.4, а).
Для повышения точности ультразвуковые расходомеры строятся по дифференциальной схеме (рис. 13.4, б). Такой расходомер позволяет определить не
только скорость, но и направление движения потока реагента.
Вихревые расходомеры. Вихревые расходомеры (рис. 13.5) используют
в своей работе свойства распространения вихревых возмущений в среде движущегося реагента. Отличие от ультразвуковых расходомеров заключается в
том, что изменения давления в среде реагента создаются специальным механическим устройством — вихревой форсункой, которая представляет собой возбужденную механическую систему, использующую при своей работе энергию
протекающего реагента. Частота генерируемых колебаний зависит от скорости
потока и улавливается приемником.
V
Вихревая
форсунка
Рис. 13.5. Вихревой расходомер
117
13.2. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
Измерители давления широко используются в различных системах автоматизированного контроля параметров технологических процессов, связанных
с применением жидких или газообразных реагентов.
Основными чувствительными элементами, которые используются
при измерении давления, являются:
1) мембраны;
2) анероидные коробки;
3) сильфоны;
4) трубки Бурдона.
Все эти устройства преобразуют разность давлений между двумя невзаимосвязанными полостями в механическое или угловое перемещение. Давление
в одной из полостей считается опорным. В качестве опорного давления может
выбираться вакуум, атмосферное давление или некоторая опорная величина
давления технологического процесса.
При этом в независимости от вида чувствительного элемента измерители давления подразделяются:
1. Измерители абсолютного давления (давление вещества относительно
вакуума).
2. Измерители дифференциального или разностного давления (давление
вещества относительно некоторого ненулевого опорного давления).
3. Измерители избыточного давления (давление вещества относительно
атмосферного давления).
Типовые устройства для измерения давления показаны на рис. 13.6 и 13.7.
а)
P
0
x
P
1
б)
P
0
x
P
1
в)
x
P
1
P
0
Рис. 13.6. Типовые устройства для измерения давления
118
На рис. 13.6, а изображена диафрагма, которая смонтирована так, что
измеряемое давление действует только на одну ее сторону. Если две диафрагмы устанавливаются задними сторонам друг к другу (рис. 13.6, б) и измеряемое давление подводится к их середине, то образуется анероидная коробка. На рис. 13.6, в показан сильфон.
На рис. 13.7, а показана одиночная трубка Бурдона, на рис. 13.7, б —
двойная трубка Бурдона. Трубки Бурдона перемещаются при приложении к
ним давления.
а)
P
0
x
P
1
б)
P
0
P
1
Рис. 13.7. Принцип работы трубки Бурдона
13.3. ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ
61
Чувствительные элементы, у которых в зависимости от влажности изменяются некоторые свойства, используются в измерительных преобразователях
влажности.
Относительной влажностью считается отношение текущей концентрации
водяного пара и концентрации насыщенного пара при данной температуре. Абсолютной влажностью считается массовое содержание воды в воздухе. Изме-
рители влажности по принципу действия подразделяются на:
1) абсорбционные;
2) емкостные;
3) электрохимические.
Абсорбционные датчики. В абсорбционных датчиках чувствительный
элемент использует свойства определенных химических соединений абсорбции
61
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13505.html (дата обращения: 12.08.2025).
119
(поглощения) влаги, содержащейся в окружающем воздухе. К таким веществам
относятся хлористый литий (LiCl), серная кислота (H2SO4), силикогель.
При построении абсорбционных датчиков используются два основных
принципа:
1. Преобразование влажности в сопротивление приповерхностного слоя
абсорбционного материала. На основе этого принципа строятся датчики прямого преобразования (рис. 13.8, а). Они очень недолговечны, т.к. абсорбент испаряется.
2. Обычно абсорбционные датчики строятся на основе использования об-
ратной точки росы (рис. 13.8, б).
Емкостные датчики. Емкостные датчики являются более точным сред-
ством измерения влажности. Они строятся на основе измерения изменения емкости воздушного конденсатора. Изменение емкости происходит вследствие
изменения концентрации влаги в воздухе. Изменение влажности воздуха от 0 %
до 100 % изменяет диэлектрическую проницаемость среды примерно на 1 %.
Емкостные датчики определяют массовое содержание влаги в среде. Для получения сигнала об относительной влажности выходной сигнал должен быть пронормирован температурой окружающей среды в соответствии с психрометрической таблицей.
а)Rб)
u
t
0
H
LiCl
Рис. 13.8. Принцип функционирования абсорбционных датчиков
Электрохимические датчики62. Электрохимические датчики (рис. 13.9)
строятся на основе материалов, имеющих значительную толщину оксидной за-
62
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13506.html (дата обращения: 12.08.2025).
120
щитной пленки (например, алюминий и титан). При этом поверхность материала покрывается тонким слоем золота (достаточно тонким, чтобы иметь поры),
благодаря чему между золотой пленкой и основой материала возникает конденсатор, роль диэлектрика в котором выполняет оксидная пленка. Структура окиси алюминия такова. Что этот слой является пористым и впитывает пары воды,
проникающие через отверстия золотого покрытия. Вследствие этого изменяется
диэлектрическая постоянная и, следовательно, емкость конденсатора. Благодаря малой толщине оксида емкость конденсатора получается значительной (десятки-сотни пФ). Такой датчик имеет нелинейную характеристику и может использоваться в релейных системах.
H
2
O
Au
оксид
металл
Рис. 13.9. Электрохимический датчик
13.4. ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ
Наиболее распространенные способы определения уровня:
1) поплавковый;
2) измерение проводимости;
3) емкостной;
4) ультразвуковой.
Поплавковые преобразователи. Поплавковые преобразователи (рис. 13.10, а)
применяются в основном для непрерывного определения уровня, когда положение
поплавка вызывает изменение какого-либо параметра преобразующего элемента. Их
выходной сигнал отображает текущее значение уровня.
Определение уровня путем измерения проводимости. Если электроды
поместить в жидкость, уровень которой измеряется, то изменение проводимости будет отражать ее уровень. Этот метод может быть реализован лишь при
измерении уровня электропроводящей жидкости.
Емкостной метод определения уровня жидкости. Электроды погру-
жены в жидкость (рис. 13.10, б), уровень которой измеряется. Жидкость используется как диэлектрик между двумя электродами, которые образуют конденсатор. Изменение уровня жидкости означает, что изменяется диэлектрическая постоянная и, следовательно, емкость преобразователя. Этот метод может
быть реализован при измерении уровня лишь не проводящих электрический ток
жидкостей.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]