Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf
2.5.4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТС
Целесообразно разделить полупроводники, используемые при измерении низких температур, на материалы, обладающие отрицательным ТКС – термисторы; материалы, обладающие положительным
ТКС – позисторы. Все полупроводниковые ТС имеют сравнительно
небольшой срок применения, поэтому они не вошли в номенклатуру
приборов, используемых в метрологии.
Чувствительный элемент полупроводникорого терморезистора –
термистора – изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобаль
та, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают
в герметизирующий металлический корпус или запаивают в ст
екло.
С увеличением температуры сопротивление термисторов умень-
шается.
С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается. Их функцию преобразования обычно аппроксимируют выражением
R
= Ae
t
B/T
, (2.4)
где Rt – сопротивление термистора при температуре Т в Кельвинах;
А и В – постоянные, зависящие от материала и технологии, причём А
зависит, кроме того, от размеров термистора и его формы.
Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением
(при 20 °С) от 1 до 200 кОм. В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от –100 до 120…600 °С. Их чувст
вительность в 6 – 10 раз больше, чем чувствительность металлического
терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие
массы и размеры.
Имеются термисторы, выполненные в виде шариков диаметром
от 0,006 до 2,5 мм. Теплоёмкость таких термисторов на несколько порядков меньше, чем у металлических терморезисторов. Малая теплоёмкость обусловливает малую инерционность термисторов. Имеются
термисторы с по
стоянной тепловой инерцией несколько миллисекунд.
Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик.
31
В течение первой недели их сопротивление может измениться на
1,0…1,5%, а за несколько месяцев ещё на 1%. В дальнейшем измене-
ние сопротивления термистора происходит медленнее, не превышая
0,2% в год.
Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную градуировку,
что обусловлено большим разбросом параметров и характеристик преобразователей.
Ко втор
ичному прибору термисторы подсоединяются с помощью
двухпроводного кабеля. Погрешность, вызванная изменением параметров кабеля, ничтожна, поскольку сопротивление и чувствиительность термистора много больше сопротивления линии связи и
её чувствительности к изменению температуры. Они широко используются, например в биологии. С помощью термистора, смонтированного на острие иглы, можно измерить температуру внутр
енних
органов живого организма. Широкое применение термисторы находят
в различных приборах для температурной коррекции характеристик
приборов.
Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоёмкостью.
Терморезисторные характеристики полупроводников значительно
различаются между собой. Поэтому обобщение их в одн
ом структурном подразделении носит условный характер. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность. ТКС большинства терморезисторных полупроводников на порядок, а для некоторых материалов
в экстремальных условиях – на два порядка больше соответствующего
среднего значения для металлов.
При измерении низких температур вблизи 0 К наиболее часто ис-
пользуются германий и кремний, облад
ающие термисторной чувствительностью. С уменьшением температуры растёт не только само сопротивление, но и производная – коэффициент сопротивления. Сопротивление чистых германия и кремния увеличивается настолько интенсивно, что в тройной точке водорода (13,81 К) оно так велико, что материал практически становится изолятором. Поэтому чистые материалы можно использовать для измер
ений температур выше 20 К.
Несмотря на большую нелинейность зависимости сопротивления
от температуры, германиевые ТС находят широкое применение для
измерений в диапазоне от 0,5 до 12 К, поскольку другие виды ТС имеют ещё большую нелинейность.
32
Угольные элементы по характеру проводимости занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками, обладают большим отрицательным ТКС и эффективно применяются в качестве чувствительных элементов при измерениях низких температур.
Углеграфитные сопротивления наносятся на изоляционную подложку
методом вжигания или пиролиза. Сопротивление полученной тонкой
плёнки существенно зависит от состояния свободной поверхности.
Поэтому п
оверхность должна быть тщательно обработана и защищена
изоляционным покрытием, например методом вакуумного напыления.
В связи с эффективным применением углепластиков в машиностроении значительно усовершенствовалась технология получения
углеграфитных волокон. Нити таких волокон широко используются
для изготовления чувствительных элементов ТС, которые применяются для измерения температур, начиная от 0,1 К. Верхний предел ограничен возможностью начала о
кисления углерода при температуре,
превышающей 900 К, и сублимации при температуре выше 2800 К.
Большие конструктивные трудности связаны с контактами переходов
от неметаллического углерода к металлическим проводам.
Термисторные промышленные ТС. Благодаря высокой чувст-
вительности термисторные ТС эффективно применяются для измерения температур в диапазоне от 170 до 570 К.
Термисторы изготовляются на осн
пример из твёрдого раствора Fe
структуры типа шпинель Zn
TiO4, MgTiO4 или MgCzO4. Для идентич-
2
ове оксидных материалов, на-
в материалах кристаллической
2O3
ности изделий в целях получения требуемого значения сопротивления
добавляют стабилизирующие вещества: окись никеля, окись углерода,
окись магния и др. При помощи пластичного связующего вещества
методом прессования смеси придаётся необходимая форма (сферическая, цилиндрическая, дисковая). Форма изделия определяется условиями работы, для которых оно предназначено. Спрессованная в форме заготовка совместно с выв
одами подвергается спеканию. Для измерения температуры поверхности применяются термисторы в виде плоской шайбы, тонкого диска или бусинки небольшого диаметра. Бусинковый терморезистор диаметром 0,5 мм, покрытый глазурью, в спокойном воздухе имеет показатель тепловой инерции 0,3 с. Воспроизводимость ТС на базе терморезистора, состаренного в течение длительного вре
мени, при измерении температуры в диапазоне от –40 до
1800 °С составляет ±0,2°. В качестве защитной арматуры ТС применяются тонкостенные трубки из стекла и нержавеющей стали, обеспечивающие тепловой контакт с терморезистором.
33
Уравнения зависимости сопротивления от температуры.
Так как температурная зависимость сопротивления терморезистора
выражается уравнением R = Ае
B/T
, где A и В – постоянные коэффици-
енты, то экспоненциальный характер этой зависимости затрудняет использование термисторных ТС в широком температурном интервале.
ТС, предназначенные для комнатной температуры, непригодны для измерений при –100 °С или при 200 °С. Подбор ТС для измерений на требуемом уровне температур производят по значению коэффициента В:
для измерений в диапазоне от «гелиевых» до «во
дородных» температур В = 50...100 К; от «водородных» до «азотных» В = 100...300 К;
на уровне «кислородных» В = 500...1500 К.
Позисторные промышленные ТС. Позисторы также относятся к
полупроводниковым ТС, но в отличие от термисторов имеют положительный термический ТКС. Чувствительные элементы позисторных
ТС изготовляются из сегнетоэлектрических керамик на осн
ове титанатов, цирконатов, глицинатов и т.п., свинца, бария, мышьяка и др.
Их ТКС может превышать 10%/К. Они применяются в сравнительно
узком диапазоне температур (от 20 до 100 °С), причём для каждого
типа позистора диапазон измерения ещё ýже и составляет несколько К.
Пока позисторные ТС находят ограниченное применение в системах
автоматики и защиты. Пре
восходные характеристики по мере развития
технологии производства должны открыть им широкое применение.
Конструктивное оформление позисторных ТС аналогично таковому
в термисторах. В диапазоне измеряемой температуры температурная
зависимость сопротивления позисторов носит экспоненциальный
характер.
34
3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
Пневматические средства автоматизации (ПСА) представляют
собой технические устройства и приборы, использующие энергию
сжатого воздуха. ПСА пожаро- и взрывобезопасны, обладают высокой
надёжностью при работе в условиях агрессивных сред, электромагнитных воздействий и изменений температуры; достаточно просты
в эксплуатации. К недостаткам ПСА относят сравнительно низкое быстродействие, обусловленное небольшой скоростью передачи пневмосигналов (близкой к скор
строения высокоточных вычислительных устройств; относительно
высокую энергоёмкость. Вследствие этого ПСА применяют чаще всего
для автоматизации достаточно инерционных объектов управления
с постоянными времени не менее 10…30 с; максимальная длина пневмокоммуникаций в таких системах управления не должна превышать
250…300 м. Несмотря на эти ограничения, в хи
сти ПСА составляют 60…70% от общего числа средств автоматизации.
3.1. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПСА
Серийные ПСА строят на основе принципов компенсации перемещений и сил: принцип сравнения расходов пока не нашёл применения в приборостроении.
Устройства и приборы ПСА, построенные на принципе компенсации перемещений, основаны на преобразователях пневмосигналов
в линейные перемещения и содержат механические рычаги, тяги и
другие элементы. Такие устройства имеют сложную механическую
часть, облада
ют небольшими коэффициентами усиления и низкой эксплуатационной надёжностью. Принцип компенсации перемещений
широко применяют при конструировании ПСА, а также иногда используют при создании встроенных регуляторов.
Устройства ПСА, базирующиеся на принципе компенсации сил,
содержат преобразователи давлений в усилия и мембранные компараторы. Для таких устройств характерны почти полное отсутствие механических узло
в, малые перемещения чувствительных элементов и
большие коэффициенты усиления. На этом принципе сконструированы пневматические устройства и приборы ГСП.
ости звука в воздуховоде); сложность по-
мической промышленно-
35
3.2. КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПСА
Отечественные ПСА имеют четыре условных уровня агрегатиза-
ции: элементный, модульный (агрегатный), приборный и блочный.
Под элементом в ПСА понимают законченную конструкцию,
предназначенную для выполнения одной простой операции (усиление,
сложение, преобразование и т.п.). Элементы условно классифицируют
на простые (неделимые) и сложные (составные). Простые элементы
(дроссели, ёмкости, мембраны, пружины и др.) не имеют са
мостоятельного значения в ПСА, их используют для конструирования более
сложных элементов (типа пневмокамер, усилителей, реле и т.п.).
Совокупность элементов с унифицированными сигналами и единым конструктивным оформлением образует систему элементов. Применяемые системы элементов ПСА обычно избыточны, в их состав входят более сложные узлы, ячейки, модули с единым кон
структивным
оформлением. Отечественные ПСА базируются преимущественно на
универсальной системе элементов промышленной пневмоавтоматики
(УСЭППА), комплексе миниатюрных элементов и модулей пневмоавтоматики (КЭМП) и – частично – системе элементов струйной техники.
Элементы ПСА по характеру изменения сигналов во времени разделяют на аналоговые и дискретные. Сигналы аналоговых элементов
изменяются в стандартном диапазоне (20…100) кП
а, дискретные сигналы принимают условное значение «0» (не более 10 кПа) и «1»
(не менее 110 кПа). Питание всех элементов УСЭППА и КЭМП осуществляется сжатым воздухом давлением (140±14) кПа.
Элементы УСЭППА и КЭМП конструктивно допускают «печатный» монтаж на платах с расположенными в них межэлементными каналами. Элементы УСЭППА имеют небольшие габаритные размеры –
в средне
м 40×40×50 мм; линейные размеры элементов КЭМП умень-
шены в 1,5–2 раза.
Элементы ПСА применяют для построения более сложных устройств – модулей (ячеек), выполняющих самостоятельные функции
типа интегрирование, дифференцирование, запоминание и т.п. Конструктивно модуль представляет собой единое устройство, состоящее из
группы элементов, которые закреплены на унифицированной плате и
единены внутренними коммуникационными каналами.
со
Модули с унифицированными информационными и конструктивными характеристиками называют агрегатами. Каждый агрегат предназначен для выполнения определённой функции системы контроля или
регулирования, например сигнализации, стабилизации, регистрации.
36
Приборное конструктивное оформление ПСА предполагает раз-
мещение в корпусе одного прибора всех (или почти всех) ячеек, реализующих АСР – измерительного, задающего, регулирующего и регистрирующего устройств. Приборные ПСА строят по принципу компенсации перемещений, что снижает их функциональные возможности и
усложняет эксплуатацию.
Блочное конструктивное оформление ПСА применяют при построе-
нии систем контро
ля и управления сложных ТОУ. В этом случае систему
управления делят на ряд взаимосвязанных блоков, содержащих однотипные функциональные агрегаты или модули, например регуляторы, регистраторы, сигнализаторы и т.п. Блочная компоновка упрощает проектирование, монтаж и эксплуатацию пневматических систем управления. Блочный принцип построения широко используют при создании пневматических и пневмоэ
лектрических комплексов ТСА [2, 3].
Элементы и устройства пневматических средств автоматики.
Под элементами в пневмоавтоматике понимают относительно простые функционально и (или) законченные конструктивно части более
сложного устройства, предназначенные для выполнения одной сравнительно простой операции или преобразования сигнала.
3.2.1. ПРОСТЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
К простым элементам относятся пневматические ёмкости, дроссели, пневмопроводы, мембраны, сильфоны, пружины и, наконец, механические рычаги. Из них собирают составные элементы: пневматические камеры, преобразователи, усилители, сумматоры. Каждый составной элемент выполняет одну операцию или функцию. Пневматическое устройство в целом реализует, как правило, ту или иную функцию переработки инфо
рмации.
Ёмкости предназначены для накопления сжатого воздуха. Парамет-
ры ёмкости – её объём V и (иногда) число вводов (выводов) потоков воздуха. Различают ёмкости постоянного и переменного объёма (рис. 3.1),
причём в последнем случае объём V изменяют вручную. Входной координатой являются давление Р
и расход G воздуха на входе в ёмкость,
1
выходной – давление воздуха Р или его масса М в ёмкости.
Переменные Р и М связаны между собой «уравнением состояния
Клапейрона» MRI – PV (где R – универсальная газовая постоянная для
воздуха, I – абсолютная температура). В пневмоавтоматике используют пневматические ёмкости относительно небольших объёмов
лее 30…50 см3). Поэтому при малых гидравлических сопротив-
(не бо
лениях вводов и выводов давление Р во всех точках ёмкости устанавливается практически мгновенно, как только изменятся Р
или G1.
1
37
P
1
P P
P
1
а) б)
Рис. 3.1. Схемы пневматических ёмкостей постоянного (а) и
переменного (б) объёма
Поэтому при отсутствии дросселей на вводах и выводах потоков
воздуха пневмоёмкость можно рассматривать как усилительное звено
с коэффициентом усиления давления, равным единице.
Пневмоёмкость не получила самостоятельного применения, однако в сочетании с дросселями на вводах и выводах её широко используют для построения проточных и глухих камер.
Дроссели (пневмосопротивления) предназначены для создания
местног
о гидравлического сопротивления движущемуся потоку воздуха и, следовательно, для изменения его расхода. Поэтому основной
выходной координатой дросселя является расход воздуха G, а входными – давление воздуха до и после дросселя Р
ΔР = Р
– Р2.
1
и Р2 либо их разность
1
По режиму течения воздуха дроссели делятся на ламинарные,
турбулентные и смешанные; по способу создания сопротивления – на
постоянные, регулируемые (вручную) и переменные; по виду статической характеристики – на линейные и нелинейные (рис. 3.2).
В ламинарных дросселях установившиеся линии токов воздуха не
пересекаются друг с другом, скорость потока невелика (Re < 2300),
температура практически постоянна. Гидравлическое сопротивление
создаётс
я за счёт сил вязкого трения слоёв воздуха друг с другом и со
стенкой канала. Подобные ламинарные режимы наблюдаются в дросселях типа капилляр (рис. 3.2, а) с большим отношением длины к диа-
метру (обычно L/d > 10).
Для турбулентных дросселей характерны интенсивное хаотическое перемешивание линий токов воздуха, большие значения скоростей и кр
итерия Re, малые отношения L/d и адиабатическое изменение
состояния воздуха. Гидравлическое сопротивление создаётся за счёт
вихреобразований, особенно сильных при сужении и расширении
струи воздуха. В турбулентных дросселях, например типа жиклёр
(рис. 3.2, б), могут наблюдаться докритические (скорость потока
меньше скорости звука) и надкритические (скорости потока и звука
равны) режимы.
38
а) б) в) г)
д) е) ж)
Рис. 3.2. Принципиальные схемы дросселей:
а – капилляр; б – жиклёр; в – конус–цилиндр; г – конус–конус;
д – цилиндр–цилиндр; е – сопло–заслонка; ж – шарик–цилиндр
Деление дросселей на ламинарные и турбулентные условно, так
как режим течения воздуха зависит и от конструкции дросселя, и от
условий его работы, в частности от перепада давлений ΔР. Дроссели,
в которых возможен и ламинарный, и турбулентный режим, называют
смешанными.
В постоянных дросселях площадь проходного сечения не меняется; примерами таких дросселей служат упо
жиклёр (рис. 3.2, a, б). Постоянные дроссели (как и все другие) харак-
теризуются только статическими характеристиками, так как в динамическом отношении они являются безынерционными звеньями: геометрические размеры каналов дросселей обычно очень малы (например,
длина капилляра не более 20 мм, диаметр 0,18 или 0,32 мм), поэтому
все переходные процессы, распрост
раняющиеся со скоростью звука,
заканчиваются в дросселях практически мгновенно.
К регулируемым дросселям относят конус–цилиндр, конус–конус,
и цилиндр–цилиндр (рис. 3.2, в – д). Перемещение h внутренних конусов или цилиндра осуществляется вручную и вызывает изменения
площади F или гидравлического сопротивления кольцевого зазора.
В регулируемых дросселях возможны турбулентные, ламинарные и
переходные режимы истечения возду
ха. Статические расходные ха-
минавшиеся капилляр и
39
рактеристики таких дросселей описываются сложными нелинейными
выражениями, в которые всегда входят экспериментально определяемые параметры. При небольших перепадах ΔР и перемещениях h регулируемые дроссели можно рассматривать. К регулируемым дросселям,
обладающим линейными расходными характеристиками во всём
диапазоне изменения DР, относятся так называемые пульсирующие
сопротивления.
Переменные дроссели типа сопло–заслонка и ша
рик–цилиндр показаны на рис. 3.2, е, ж. Перемещение заслонки и шарика осуществляется с помощью какого-либо другого элемента пневмоавтоматики.
В дросселе первого типа изменение гидравлического сопротивления
достигается за счёт сил трения воздуха о сопло и заслонку и эффектов
сжатия и расширения струи. Величина h мала (порядка 0,03…0,10 мм),
поэтому дроссель чувствителен к перекосам и вибр
ациям заслонки.
Дроссель второго типа более надёжен, так как шарик самоцентруется
в струе воздуха. Изменение расхода достигается изменением площади F
и гидравлического сопротивления потоку воздуха при перемещении
шарика. Для переменных дросселей характерен турбулентный режим
течения воздуха. При малых изменениях h и ΔР статические характеристики переменных д
росселей можно рассматривать как линейные
в малом.
Наибольшее распространение в пневмоавтоматике получили ламинарные дроссели типа капилляр (L = 20 мм, d = 0,18 и 0,32 мм) и
конус–конус, а также турбулентные сопло–заслонка (h = 0,03…0,10 мм,
d = 0,5 мм) и шарик–цилиндр.
Пневмопроводы служат для передачи импульса давления или из-
менений расхода воздуха на достаточно большие расс
тояния L (от нескольких метров до 250…300 м). Пневмопроводы выполняют из пластмассовых или металлических трубок внутренним диаметром
d = 1…8 мм; иногда пластмассовые трубки объединяют в пневмокабели
(рис. 3.3, а, б). Пневмопроводы используют для соединения отдельных
элементов и устройств внутри пневматических приборов (L ≈ 1…2 м,
d ≈ 1…3 мм), а также для передачи сигналов от первичных преоб
разователей к приборам и от регуляторов к мембранным исполнительным
механизмам (L ≤ 250…300 м, d = 4…8 мм). В первом приближении
пневмопровод можно рассматривать как ламинарный дроссель типа
капилляр. При этом, однако, нужно учитывать следующее: значительную пневматическую ёмкость, распределённую по всей длине L;
большие гидравлические сопротивления, затрудняющие передачу сиг-
в и вносящие в них фазовые искажения.
нало
40