Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие
.pdf
51
следующие диапазоны изменения унифицированных сигналов:
пневматического - 0,02-0,1 МПа, электрического постоянного
тока - 0-5, 0-20, 0-100 мA или 0-10 В, переменного тока частотой
50 Гц - 1-0-1, 0-2 и 1-3 В. Унификация выходных сигналов измерительных преобразователей предполагает соответствующую
унификацию входных сигналов вторичных устройств. Это существенно повышает надёжность действия дистанционной передачи, обеспечивает взаимозаменяемость приборов и средств автоматизации. По роду сигналов преобразователи делятся:
1) на электрические, преобразующие нестандартный элек-
трический сигнал в стандартный (унифицированный);
2) пневматические;
3) пневмоэлектрические, преобразующие пневматический
сигнал в электрический;
4) электропневматические, преобразующие электрический
сигнал в пневматический.
Классификация преобразователей
1. Реостатные (омические). У них изменение параметра
пропорционально изменению активного сопротивления.
2. Индукционные (индуктивные). У них изменение параметра пропорционально изменению индуктивности электрической системы.
3. Дифференциально-трансформаторные. У них изменение
параметров приводит к перемещению сердечника, т. е. к трансформированию напряжения.
4. Ферродинамические. У них изменение параметра, а
именно, угловые перемещения, преобразуются в ЭДС (синусоидальные напряжения). Принцип действия их основан на использовании явления электромагнитной индукции.
5. Сельсинные.
6. Пневматические.
По конструктивной схеме преобразователи бывают:
1) мостовые, которые применяются для измерения активно-
го сопротивления, ёмкости и индуктивности;
52
2) компенсационные, используемые, например, для измере-
ния параметров, величина которых преобразуется в напряжение
или давление. Такие преобразователи делятся на: схемы силовой
компенсации и компенсационного перемещения;
3) дифференциальные, которые, например, применяются
для измерения сопротивления и напряжения.
2.3. Измерение давления
Под давлением понимают предел отношения нормальной
составляющей силы к площади, на которую действует эта сила.
Единица измерения в системе СИ - это давление, вызываемое силой в 1 Н, равномерно распределенной по поверхности
площадью 1 м2 [Н/м2]. Единица Н/м2 называется Паскалем [Па].
1кгс/см2=9,8 104 Па, 1 мм. рт. ст.=133,3 Па, 1 мм. вод. ст.=
=9,8 Па, 1 бар=105 Па.
Различают следующие виды давления:
- абсолютное, равное Ра=Рб+РИ , где Рб - барометрическое
давление, РИ - избыточное давление;
- барометрическое (атмосферное) - давление воздушного
столба земной атмосферы. Зависит от широты, климатических
условий, высоты над уровнем моря;
- избыточное - сверх чего-то (например, сверх барометрического давления) (РИ).
Если Рб>Ра,то наблюдается разряжение Рр=Рб-Ра. Глубокое
разряжение принято называть вакуумом.
Классификация приборов для измерения давления:
По принципу действия: на жидкостные, грузопоршневые,
электрические, деформационные.
Жидкостные приборы (рис. 2.1). Принцип действия их основан на уравновешивании измеряемой разности давления гидростатическим давлением столба жидкости соответствующей высоты.
53
r
r
+=+
r
r
-=-
Р
2
h
Р
1
Р1Р
0
Рис. 2.1. Двухтрубный (U-образный) прибор
Так как трубки (левая и правая) сообщаются, то силы от
давления на жидкость на уровне (отметке) 0 - равны. Следовательно, с учётом закона гидростатики:
)()(
ghPSghPS
21
или ghPP
жг
21
)(
,
гж
где S - площадь поперечного сечения трубки; Р1 и Р2 - давления
на концах трубки.
В грузопоршневых приборах (рис. 2.2) силе от давления
жидкости противодействует сила давления поршня.
2
а б
Рис. 2.2. Грузопоршневой прибор: а - внешний вид; б - устройство
Деформационные приборы. У них измеряемое давление оп-
ределяется по величине деформации различных упругих чувствительных элементов (пружин, мембран, сильфонов).
Достоинства этих приборов: простота устройства, надёжность в эксплуатации, универсальность, портативность, высокая
точность измерений.
1. Деформационные манометры с трубчатой пружиной
(трубкой Бурдона) (рис. 2.3).
54
Р
1
Р
5
1
3
4
2
2
а б
Рис. 2.3. Прибор с одновитковой трубчатой пружиной: а - устройство
(1 - трубка; 2 - держатель; 3 - стрелка; 4 - передаточный механизм;
5 - шкала); б - внешний вид
Основная деталь прибора - согнутая по дуге окружности
трубка эллиптического или овального сечения. Одним концом
трубка заделана в держателе 2, и оканчивается ниппелем с резь-
бой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. При подаче во внутрь трубки избыточного давления, кривизна её уменьшится, и она начнёт выпрямляться. И наоборот
при создании разряжения кривизна её возрастает, и трубка скручивается. При этом её свободный конец воздействует на передаточный механизм, который смещает стрелку относительно шкалы.
Чувствительность зависит от толщины стенок трубки и от разности
ее сечений. Чем выше чувствительность прибора, тем меньше предел
измерения возможного значения величины и меньше шкала прибора.
2. Мембранные приборы. Их используют для измерения небольших давлений и разряжений (например, барометры, напоромеры, тягомеры), а также перепада давлений (например, дифференциальные манометры).
Недостаток мембранных приборов: небольшое перемеще-
ние подвижного центра от 0,5 до 2,0 мм.
55
Изменение давления приводит к прогибу мембраны и далее
Р2Р
к перемещению стрелки, связанной с системой рычагов (рис. 2.4).
Прогиб мембраны зависит от геометрических размеров, модуля
упругости материалов (бронза, и др.). Для увеличения прогиба
мембранные коробки соединяют в блоки. Мембранные коробки
могут быть манометрические и анероидные.
Манометрические (рис. 2.4). Если Ра>Рб, то измеряется из-
быточное давление Ри=Ра-Рб;
а б
Рис. 2.4. Манометрический манометр с одиночной мембраной:
а - внешний вид; б - устройство
3. Сильфонные манометры (рис. 2.5). Сильфон - тонкостен-
ный цилиндр с концевыми складками (гофрами). Обычно сильфоны изготавливают из бронзы, латуни и т. д. Под действием осевой
нагрузки длина сильфона изменяется. Диаметр цилиндра сильфона
обычно равен 20-30 мм. Ход поршня (цилиндра) 5-10 мм. Недостатками сильфонных приборов являются: наличие гистерезиса и
некоторая нелинейность характеристик. Для увеличения жёсткости
внутрь сильфона иногда помещают пружину сжатия.
1
Рис. 2.5. Сильфонный манометр
56
Электрические манометры (рис. 2.6). Среди них наиболее
распространены тензометрические преобразователи, принцип
действия которых основан на преобразовании усилия, создаваемого давлением (или пропорциональной ему деформации) в изменение сопротивления проволоки, наклеенной на поверхность
деформирующегося тела.
а б
Рис. 2.6. Схема тензометрического преобразователя: а - внешний вид;
б – устройство
Тензометр (рис. 2.6, б) представляет собой тонкую проволоку диаметром от 0,01 до 0,05 мм, наклеенную на изолированное основание (бумагу или пластмассу).
Недостатками электрических приборов являются: малая
чувствительность и зависимость показаний от температуры.
По роду измеряемой величины приборы для измерения
давления делятся:
1) на манометры, которые используются для измерения аб-
солютного и избыточного давления;
2) вакуумметры, которые используются для измерения раз-
ряжения (вакуума);
3) моновакууметры - для измерения избыточного давления
и давления разряжения;
4) барометры - для измерения барометрического давления.
5) дифференциальные манометры - для измерения разности
двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды;
6) напоромеры - для измерения малых избыточных давлений;
7) тягомеры - для измерения малых разряжений;
8) тягонапоромеры - для измерения малых давлений и раз-
ряжений.
57
2.4. Измерение температуры
100
+
=
В пищевой промышленности температура является важнейшим
параметром, характеризующим ход технологического процесса. Тем-
пературой называется величина, определяющая тепловое состояние
вещества и характеризующая степень его нагретости. Диапазон измерения температур, используемых в пищевой и химической промышленности очень широк от - 90-100 до +12000С. Для измерения температуры используется большое число средств, называемых термометрами. В промышленной термометрии применяются 2 основных
метода измерений: контактный (когда чувствительный элемент термометра находится в непосредственном контакте с измеряемой средой) и бесконтактный, при котором температура определяется по тепловому электромагнитному излучению нагретых тел. Бесконтактный
способ используется в основном для измерения высоких температур.
Температуру определяют косвенным путём с помощью
шкалы температуры. Температурная шкала - ряд отметок внутри
температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми точками: кипения и плавления химически чистых веществ. В настоящее время применяют две температурные шкалы:
- термодинамическую с единицей измерения Кельвин (К);
- международную практическую с единицей измерения
градус Цельсия (оС).
Для шкалы Кельвина нижней точкой является точка абсолютного нуля (0 К), а единственной экспериментальной точкой –
тройная точка воды (точка равновесия воды в твёрдой, жидкой и
газообразных фазах). Этой точке присвоено числовое значение –
273,15 К.
Градус Цельсия,оС определяют по формуле
,
1q=
гдеq - интервал между точками плавления льда и кипения воды в
нормальных условиях.
Между температурой по шкале Кельвина Т, К и по шкале
Цельсия t,
о
С существует соотношение
tT
.
15,273
58
В системе СИ единицей измерения температуры является
5
(
)
градус Кельвина.
Температура по шкале Фаренгейта t,oF связана с градусом
Цельсия t,оС соотношением
9
.
32
+= tt
По абсолютной термодинамической шкале Ренкина t,oRa.
.
15,2738,1 += tt
Имеется 5 групп приборов для измерения температуры:
1) термометры расширения, принцип действия которых ос-
нован на изменении линейных размеров и объёмов тел под действием температуры;
2) манометрические термометры, принцип действия которых основан на изменении давления жидкости, газа или пара в
замкнутом объёме в зависимости от температуры;
3) термометры сопротивления, принцип действия которых
основан на изменении активного сопротивления проводников или
полупроводников под действием температуры;
4) термоэлектрические термометры (термопары) - образование в спае (соединении) пары проводников термоэдс;
5) термометры излучения (пирометры). Действие термометров излучения основано на лучеиспускательной способности нагретых тел.
Термометры расширения. Ввиду отсутствия дистанцион-
ной передачи и автоматической записи показаний термометры
расширения используются только в лабораторных исследованиях
и для целей автоматического регулирования не применяются
(особенно ртутные термометры).
Различают жидкостные (стеклянные) и металлические
термометры расширения. У жидкостных термометров расширения по высоте столба жидкости помещённой в длинную
твёрдую трубку (капилляр) судят о величине температуры.
Приращение столба жидкости
h
2
d
V
275,1 tt
( )( )
aaD
стж
,
--=
01
где V – объем жидкости в термобаллоне при начальной температуре t0;
59
d - внутренний диаметр капилляра;
(
)
2160
a
и
a
ж
– температурные ко-
ст
эффициенты объёмного расширения жидкости и стекла; t1, t0 конечные и начальные температуры нагревания.
Металлические термометры расширения делятся на: дилатометрические термометры (рис. 2.8) и биметаллические
(рис. 2.9).
Принцип действия металлических термометров расширения основан на изменении линейных размеров (удлинения) твёрдых тел при изменении температуры.
Линейные размеры тел определяют по формуле:
,
tll
Da
+= 1
0
где l0 - начальная длина тела при t
a
- температурный коэффици-
0;
ент линейного расширения; Dt - изменение температуры.
Дилатометрические термометры. Закрытая с одного кон-
ца трубка 1 (рис. 2.7), выполненная из материала с большим ко-
эффициентом линейного расширения, в которую вставлен сердечник 2 с малым коэффициентом линейного расширения. При
нагревании они удлиняются на различную величину, что приводит к перемещению рычага и стрелки.
Рис. 2.7. Схема дилатометрического термометра
Биметаллические термометры. Биметалл - материал, сва-
ренный из двух слоёв, с различным коэффициентом линейного
расширения.
а б
2
3
1
4
657
1
Рис. 2. 8. Биметаллический термометр: а - внешний вид; б - устройство
При нагреве биметаллического элемента 1 (рис. 2.8, б) идёт
изгиб в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного
расширения, при охлаждении наоборот. Перемещение пластины
через систему рычагов приводит к перемещению стрелки.
Достоинствами термометров расширения являются: простота конструкции и небольшие размеры. Недостатками: малая точность из-за «усталости» пружины.
Манометрические термометры. Разновидностью термо-
метров расширения являются манометрические термометры
(рис. 2.9), которые могут быть: газовыми, жидкостными и конденсационными.
а б
Рис. 2.9. Манометрический термометр с трубчатой пружиной: а внешний вид; б – устройство: 1 - термобаллон; 2 – капиллярная трубка;
3 – стрелка; 4 – зубчатое колесо; 5 – манометрическая трубка; 6 – сектор; 7 - тяга
Вся внутренняя полость системы прибора заполняется
рабочим веществом. При нагреве термобаллона 1 (рис. 2.9, б)
увеличивается объем жидкости (или давление рабочего веще-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]