Автоматика(лабораторные работы) v1.5

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ С ДАТЧИКАМИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы – изучение методов измерения температуры (ртутным тер- мометром, манометрическим термометром, термометром сопротивления), а также систем автоматического контроля температуры.

При измерении технологических параметров основными являются методы непосредственной оценки и сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки заключается в оценке значения физиче-

ской величины непосредственно по отсчётному устройству средства измерения

(рис. 1.1, а).

Рис. 1.1. Структурная схема методов измерения:

ИЦ - измерительная цепь; ИН - индикатор нуля; С - сумматор; М – мера

Метод сравнения с мерой основан на сравнении измеряемой величины с мерой. Мера – это такой элемент измерительной цепи, предназначенный для частичного или полного уравновешивания измеряемого параметра. В диффе- ренциальном (разностном) методе разность между величиной меры xм и изме- ряемой величиной x преобразуется в показания измерительного прибора (рис. 1.1, б). При нулевом (компенсационном) методе измеряемая величина полностью уравновешивается величиной переменной меры, что определяется индикатором нуля ИН (рис. 1.1, в). Показанием прибора здесь является величи- на переменной меры.

1.1. Измерение температуры манометрическим термометром

Манометрические термометры состоят из термобаллона и измерительного прибора давления (манометра), соединенных между собой капилляром, длина которого достигает 60 м. Термобаллон размещается в среде, где измеряется температура. Температура среды воздействует на физическое состояние веще- ства внутри баллона, что приводит к изменению давления, которое через ка- пиллярную трубку передается на расстояние и фиксируется манометром. В ка- честве чувствительных веществ используют газы, жидкость и газожидкостную смесь. Диапазон измеряемых температур от – 50°С до 600°С. Они используются для дистанционного (до 60м) измерения температур. Класс точности пример-

но 1,5. К их положительным качествам относятся: простота конструкции и об- служивания, возможность дистанционного измерения и автоматической записи показаний; к их недостаткам - небольшая точность измерений, значительная инерционность, сравнительно небольшое отклонение дистанционной передачи показаний.

Газовые манометрические термометры основаны на использовании зави- симости давления инертного газа (азота), который находится в герметично замкнутой термосистеме, от температуры. Термометры, заполненные азотом, обеспечивают измерение температуры до +600°C.

Величина изменения давления зависит от температуры следующим обра-

t - конечная температура, °C; t0 - начальная температура, °C;

Р0 - давление рабочего вещества при температуре t0 (20°C), Па.

В жидкостных манометрических термометрах вся система заполняется жидкостью под некоторым начальным давлением. Для заполнения обычно применяется ртуть (для температуры -30…+600°C) и ксилол (для температуры - 40…+200°C). Давление жидкости в зависимости от температуры можно пред-

ставить уравнением

где P - приращение давления в зависимости от температуры, Н/м2;

β- коэффициент объёмного расширения жидкости, 1/град;

μ- коэффициент сжимаемости жидкости, м2/Н;

t - приращение температуры, °C.

Из уравнений (1) и (2) видно, что изменение давления жидкости или газа при нагревании является линейной функцией температуры, и поэтому мано- метрические термометры имеют равномерную шкалу.

1.2. Измерение температуры термометрами сопротивления

В основе способа измерения температуры термометрами сопротивления (ТС) лежит свойство проводников изменять электрическое сопротивление под воздействием температуры.

Металлические ТС изготавливаются из меди и платины. Зависимость элек- трического сопротивления от температуры Т принимается линейной в виде RT = R0 (1+ a ×T ), где R0 – сопротивление проводника при начальной темпера-

туре; α – температурный коэффициент проводника. Металлические термомет- ры сопротивления из платины (ТСП), градуировки гр. 20, используются при длительном измерении в пределах от 0 до 650°C, а с градуировкой гр. 22 - от - 200 до +500°C. Термометры сопротивления медные (ТСМ) изготавливаются для измерения температур от -50 до +180°C и имеют градуировку 23 и 24.

2

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

1.3. Уравновешенные мосты

В качестве вторичных приборов в комплекте с термометрами сопротивле- ния применяются преобразователи в сигнал 0…5мА или электрические равно- весные мосты, принцип действия которых изображается схемой, приведенной на рисунке 1.2.

Уравновешивающие мосты по способу представления информации бывают аналоговыми и цифровыми. Аналоговые преобразуют измеряемую величину в другую физическую величину, являющуюся аналогом измеряемой. Например, передвижение стрелки измерительного прибора относительно его шкалы. Циф- ровые мосты преобразуют измеряемую величину в сигнал, закодированный в цифровую форму.

Рис. 1.2. Схема уравновешенного моста

Равновесию моста (рис. 1.2) соответствует равенство

R1 ×(RT + 2RЛ ) = R2 × Rp .

В этом случае разность потенциалов между точками В и D соответствует нулю. При изменении температуры Т величина электрического сопротивления термометра RT изменится и мост разбалансируется. Равновесие моста обеспечи- вается изменением величины сопротивления реохорда Rp . Момент равновесия определяют по нулю шкалы прибора.

Автоматический уравновешенный аналоговый мост предназначен для не- прерывного измерения, записи и регистрирования температуры при работе в комплекте с соответствующим ему термометром сопротивления (рис. 1.3).

3

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

Рис. 1.3. Автоматический уравновешенный мост

Мост состоит из собственно уравновешенного моста с реохордом Rp, усилителя У и реверсивного электродвигателя М. Электродвигатель кинематически соединён с ползунком реохорда Rp и стрелкой шкалы. Автоматический мост представляет собой астатическую систему слежения. Выходное напряжение моста усиливается и подает- ся на электродвигатель М. Вал двигателя одновременно передвигает ползунок рео- хорда Rp и стрелку, которая преобразует это передвижение в показания прибора.

В промышленных мостах используют трехпроводную систему соединения уравновешивающего моста с измеряемым термометром сопротивления RТ. Такая

система позволяет уменьшить влияние сопротивления соединительных проводов RЛ1, RЛ2, RЛ3 на показания прибора.

Структурная схема цифрового моста (ЦМ) показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Структурная схема цифрового моста

Неравновесное напряжение с мостовой измерительной цепи МИЦ подается на устройство сравнения УС, которое в процессе уравновешивания МИЦ на каждом такте от генератора импульсов Г выдает на управляющее устройство УУ информа- цию о знаке этого напряжения. Код, полученный УУ после уравновешивания, ото-

бражает значение измеряемой величины на цифровом отсчётном устройстве ЦОУ и может использоваться для введения итога в ЭВМ.

Схема МИЦ показана на рис. 1.5. Измеряемой величиной является температура Т, ее воспринимает RТ, который соединен с МИЦ трёхпроводной линией связи RЛ1, RЛ2, RЛ3. Каждому значению RТ соответствует определенная комбинация замкнутых ключей преобразователя кода в проводимость ПКП, при которой мост уравновеши- вается.

4

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

к УС

от УУ Рис. 1.5. Мостовая измерительная цепь цифрового моста

Весь процесс происходит за несколько тактов, которые задает генератор им- пульсов Г (рис. 1.4). В каждом такте на выходе УУ определяется код, который по- ступает на ПКП. При достижении равновесия МИЦ код отображается на ЦАП.

1.4. Характеристика лабораторной установки

Структура измерения температуры в данной лабораторной работе приведена на рис 1.5.

Рис 1.5 Общая схема лабораторной работы

Схема и приборы, предназначенные для исследования измерительных ком- плектов температуры, приведены на рис. 1.6.

Установка состоит из манометрического термометра 1; образцового ртут- ного термометра 2; комплекта, который включает в себя термометр сопротив- ления 3, цифровой измерительный прибор «Сосна 003» 4 и образцовый магазин сопротивлений 5; теплового шкафа 6 с электронагревателем 7, переключателем режимов 8 и включателем 9; автоматического выключателя 11 и сигнальных ламп 10, 12; персонального компьютера 13.

5

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

1.Включить стенд переключателем 9.

2.Посмотреть на показания приборов манометрического термометра 1, ртутного термометра 2 (эталонный) и цифрового измерительного при- бора «Сосна 003», если их значения значительно больше комнатной температуры, то все в порядке, но рекомендуется открыть тепловой шкаф на несколько минут (чтобы охладить).

3.Подготовить таблицу 1.1 (см. далее).

4.Закрыть тепловой шкаф, регулятор температуры установить в положе- ние 0,6-0,7; внизу шкафа включить тумблер.

5.Каждые две минуты заносить в таблицу значения показаний ртутного термометра 2, манометрического термометра 1 и цифрового измери- тельного прибора «Сосна 003».

6.Измерения проводить до тех пор, пока показания ртутного термометра 2 не достигнут отметки 100°С.

7.Выключите тепловой шкаф .

8. Постройте графики AД = f (t); Aтc = f (t) ; Aмт = f (t).

9. Убедительная просьба приоткрыть тепловой шкаф (чтобы вашим последователям не пришлось выполнять п. 1).

Показание образцового ртутного термометра принимают за действитель- ное значение температуры в нагреваемом объекте. Полученные итоги измере- ний температуры каждым датчиком заносятся в табл. 1.1, и по ним рассчиты- ваются абсолютные и приведенные относительные погрешности комплектов, которые дополнительно исследуются.

Абсолютные погрешности измерительного прибора рассчитываются по формуле

6

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

где Аі – показания соответствующего термометра; АДi – действительное значе- ние измеренной величины.

Относительной приведенной погрешностью называют выраженное в про- центах отношение погрешности к диапазону шкалы измерительного прибора N:

По величине максимальной приведенной погрешности измерительные приборы делятся на классы точности 0,05...4,00. Промышленные приборы в большинстве случаев выпускаются с классами точности 0,25; 0,5; 1,0; 1,5. На- пример, прибор точности 1,0 имеет максимальную приведенную погрешность

±1%. Класс точности прибора обычно показывают на его шкале. В лаборатор- ной установке использован измерительно-цифровой прибор «Сосна 003» с классом точности 0,25% при работе с термометрами сопротивления. Проверяе- мый прибор необходим для дальнейшей эксплуатации, когда величины по- грешности не превышают значения приведенной относительной погрешности.

В общем случае каждый элемент измерительного комплекта можно рас- сматривать как преобразователь энергии, на вход которого подается величина х, а на выходе снимается величина y. Основными характеристиками элемента яв- ляются следующие: y = f (x) – статическая характеристика; S = y / x –

статический коэффициент передачи или коэффициент чувствительности, кото- рый определяется по статической характеристике. Когда статическая характе- ристика нелинейная, то коэффициент чувствительности определяется как

7

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

S = y / x , где Dу и Dх – приращения соответственно выходной и входной ве- личин.

Впроцессе эксплуатации средства измерения меняют свои метрологиче- ские характеристики. Поэтому периодически все они должны подвергаться по- верке, при которой их показания сравниваются с показаниями более точного – образцового прибора (преобразователя).

Влабораторной работе необходимо выполнить поверку цифрового измери- тельного прибора «Сосна 003». С этой целью к нему присоединяется образцо- вый магазин сопротивлений, который имитирует образцовый термометр. Мага- зином задают значения сопротивлений термометра в соответствия с его градуи- ровочной таблицей (помещена на стенде). Показания прибора «Сосна 003», об- разцового магазина сопротивлений, а также данные градуировочной таблицы заносят в табл. 1.2.

По данным табл. 1.2 строятся зависимости θ = f(RТ), Т = f(RТ) по которым определяют значения S. По итогам поверки посредством формул (3) и (4) рас- считывают абсолютную и относительную приведенyю погрешности, по кото- рым надо сделать вывод о соответствии измерительного прибора «Сосна 003» своему классу точности 0,25.

Содержание отчета

1. Описание методов измерения и средств измерения температуры. 2. Схе- мы уравновешенных аналоговых и цифровых мостов. 3. Схема эксперимен- тальной установки и таблицы результатов исследований. 4. Графики AД = f (t);

Aтc = f (t) ; Aмт = f (t) , θ = f(RТ), Т = f(RТ). Значения Sк для зависимостей θ = f(RТ),

Т = f(RТ).

8

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА

Цель работы – изучение методов и технических средств измерения расхо- да жидкости и газообразного вещества, оценка точности технических средств измерения расхода.

2.1. Общие сведения

Расход – это количество вещества, которое проходит через данное сечение в единицу времени. В состав каждого расходомера входит устройство, которое непосредственно измеряет расход и преобразует его в другую, более удобную для измерения и дистанционной передачи величину. В производстве чаще всего используются следующие виды расходомеров: переменного перепада давления (раздел 2.2.); постоянного перепада давления (раздел 2.3.); электромагнитные (индукционные) (раздел 2.5.); тахометрические (турбинные, шариковые), теп- ловые. Описанные приборы применяются в системах автоматического контроля и управления расходом жидкости или газа.

Каждый из перечисленных типов имеет характерные положительные ка- чества и недостатки. Поэтому при выборе расходомера необходимо учитывать требования к погрешности измерения, физические свойства веществ и условия эксплуатации.

2.2. Расходомеры переменного перепада давления

Получили широкое распространение из-за простоты и надежности конст- рукции при достаточной точности. Измерение расхода методом переменного давления основано на изменении потенциальной энергии (статического давле- ния) вещества, которое протекает через сужение в трубопроводе. В качестве сужающих устройств, применяются нормальные диафрагмы и сопла, которые врезаются непосредственно в трубопровод (рис. 2.1).

г

Рис. 2.1.Сужающие устройства: а – стандартная диафрагма; б – стандартное сопло; в – сопло Вентури; г – схема монтажа сужающего устройства

Сужение течения имеет место до сужающего устройства, и на некотором расстоянии за ним. Благодаря действию сил инерции, поток постепенно расши- ряется до полного сечения трубопровода (рис. 2.2). Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением. Давление потока около стенки трубо- провода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и снижается до

минимума непосредственно за диафрагмой в наиболее узком сечении потока II-II. Далее по мере расширения потока давление течения около стенки опять повышается, но не достигает прежнего значения. Остаточная потеря давления

P объясняется потерями энергии на трение и завихрения.

Таким образом, перепад давления P на сужающем устройстве зависит от расхода вещества и может служить мерой этого расхода. Уравнение для объем-

ного расхода вещества в нормальных условиях имеет вид

Q = 0,0125×α ×ε × d 2 × DP / ρ ,

где a – коэффициент расхода; e – поправочный множитель на расширение изме- ряемой среды (для жидкостей e = 1); d – диаметр отверстия диафрагмы; Р – перепад давления на сужающем устройстве; r – плотность сужаемого вещества.

Для измерения перепада давления используют дифференциальные мано- метры.

2.3. Расходомеры постоянного перепада давления

Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянно- го давления являются ротаметры. Они состоят из конусной трубки, внутри кото- рой передвигается поплавок (рис. 2.3).

Проходя через ротаметр снизу вверх, жидкость или газ поднимает поплавок до тех пор, пока кольцевой зазор между телом поплавка и стенками конусной трубки не достигнет величины, при которой силы, действующие на поплавок, уравновешиваются. Поплавок устанавливается на той или иной высоте в зависи- мости от величины расхода.

Рис. 2.3. Схема ротаметра с конусной трубкой

Условие равновесия: поплавок уравновешен в том случае, когда воздейст- вие на него внешних сил скомпенсировано:

где FТ – сила тяжести; Р2 – среднее давление течения на поплавок сверху; Р1 – среднее давление течения на поплавок снизу; S – площадь наибольшего попе- речного сечения поплавка; FТр – сила трения течения о поплавок.

Если принять, что при всех расходах сила трения FТр остается постоянной, то и разность давлений на поплавок Р = P1 – Р2 = const будет постоянной, т. е. перепад давления будет постоянным, вследствие чего ротаметр и является при- бором постоянного перепада давления.

11

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

Уравнение расхода ротаметра имеет вид

где a – коэффициент расхода; Sк – площадь кольцевого отверстия, которое об- разовано конусной трубкой и верхней частью поплавка.

Поскольку величины под корнем практически можно считать постоянны- ми, то их заменяем коэффициентам K, тогда

Q = α × Sк × K .

Эта зависимость линейная и поэтому шкала ротаметра будет равномерной. Ротаметрами можно измерять небольшие расходы, потери давления в них незначительны и не зависят от величины расхода, но вещество должно прохо-

дить через прибор только снизу вверх.

2.4. Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на измерении электродвижущей силы (ЭДС), которая индуцирована в течении электропро- водной жидкости под воздействием внешнего магнитного поля (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема электромагнитного расходомера

Трубопровод 1 с жидкостью находится между полюсами 2 и 3 магнита перпендикулярно к направлению силовых линий магнитного поля. Трубопро- вод расходомера выполняется из немагнитного материала. В стенке трубопро- вода диаметрально противоположно установлены измерительные электроды.

Под действием магнитного поля ионы, которые находятся в жидкости, пе- редвигаются и отдают свои заряды измерительным электродам. На электродах образовывается ЭДС Е, пропорциональная скорости течения жидкости, которая измеряется прибором 4. Величина этой ЭДС в случае постоянного магнитного

поля равна

E = -B × d × u,

где В – магнитная индукция между полюсами магнита; d – внутренний диаметр трубопровода (длина проводника); u – средняя скорость течения жидкости.

Выразив скорость через объемный расход Q, получим

E = - 4рBd ×Q .

12

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

В большинстве индукционных расходомеров используют переменное маг- нитное поле, которое меняется во времени t с частотой f. Тогда ЭДС определя-

ется как

E = 4pBd ×Q × sin 2pf × t.

При переменном магнитном поле электромагнитные процессы меньше влияют на показания прибора, чем при постоянном.

2.5. Характеристика установки

Электропитание стенда включается автоматическим выключателем QF, а электродвигателя M насоса – переключателем S.

Из ёмкости 1 вода центробежным насосом 2 подается в трубопровод, на котором последовательно установлены регулировочный вентиль 3 и устройства измерения расхода: ротаметр 4 (раздел 2.3), диафрагма 5 (раздел 2.2) и чувстви- тельный элемент 6 индукционного расходомера (раздел 2.4) (рис. 2.5).

Расход воды через трубопровод регулируется изменением степени откры- тия вентиля 3.

Величина расхода по ротаметру 4 определяется положением поплавка от- носительно шкалы.

Перепад давления на сужающем устройстве (диафрагме) 5 определяется дифференциальным манометром 7 «САПФИР 22 ДД» (∆Р = 20 кПа). Он преоб-

разовывает перепад в унифицированный сигнал постоянного тока величиной 0¸5 мА, который измеряется миллиамперметром 10.

При прохождении потока через индукционный расходомер 6 «PROMAG 53 H» (класс точности 0,2%) величина расхода определяется по цифровому ин-

13

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

дикатору 8. Открывая вентиль 3, устанавливают 9 (девять) значений расхода

жидкости по ротаметру и определяют соответствующие показания цифрового отсчетного прибора 9.

Результаты измерений записывают в таблицу.

По результатам эксперимента выполняются следующие расчеты и графи- ческая работа.

Порядок выполнения работы

1.Рассмотрение схемы и принципа действия лабораторной обстановки.

2.Подготовка лабораторной установки к проведению измерений.

2.1.Включить тумблер питания лабораторной установки.

2.2.Включить насос.

2.3.С помощью вентиля 3 установить на 2-3 минуты максимальный рас- ход для заполнения системы водой.

3.Проведение измерений.

3.1.С помощью вентиля 3 установить расход, при котором поплавок ро- таметра находится около нулевой отметки шкалы.

3.2.Записать в таблицу показания электромагнитного расходомера и из- мерителя «Сосна».

3.3.Установить последовательно расход, при котором поплавок ротамет- ра находится около отметок 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 и записать в таблицу показания электромагнитного расходомера и измерителя «Со- сна» в таблицу 1.

3.4.Закрыть вентиль, выключить насос, отключить лабораторную установку.

4.Обработка результатов измерений и построение графиков зависимостей.

4.1.Определить расход, измеренный диафрагмой, по формулам:

QД = 0,0125a×e × d 2 DP r ;

DP = [дел.]× DPmax , мм. вод. ст. ,

[дел.]max

где Pmax – максимальный перепад давлений – 320 мм. вод. ст. [дел.]max – верхнее значение шкалы прибора, равное 1000

14

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

α – коэффициент расхода – 0,6 ε - поправочный множитель на расширение среды – 1

d – диаметр отверстия диафрагмы – 10 мм (подставлять в формулу в мм) ρ – плотность среды – 1000 кг/м3

4.3. Построить графики статических характеристик диафрагменного расходо-

мера А= f( P), I = f(Q) и P = f(Q).

4.4.Определить расход, измеренный ротаметром, по прилагаемому тарировоч- ному графику.

4.5.Определить коэффициент чувствительности (передачи) ротаметра K = N/ Q для трёх точек графика.

4.6.Для диаграммы определить коэффициент A = QP .

Содержание отчета

1.Название и цель лабораторной работы.

2.Краткое описание методов измерения расхода.

3.Схема лабораторного стенда.

4.Таблица результатов эксперимента.

15

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Цель работы – исследование характеристик и принципов действия изме- рительных преобразователи угловых и линейных перемещений.

3.1. Общие сведения

Измерительные преобразователи (ИП) механических величин применя-

ются как самостоятельные приспособления для контроля положения объектов и их частей в процессе движения, так и преобразовательные элементы в других устройствах для измерения линейных и угловых перемещений.

ИП механических величин можно разделить на дискретные и непрерыв- ные. Дискретные ИП используют для контроля конечных или промежуточных положений подвижных объектов или их частей. Непрерывные ИП использу- ют для непрерывного контроля перемещений. Среди них различают ИП линей- ного (поступательного) и углового (вращательного) перемещения.

Указанные ИП имеют различные статические характеристики. Статическая характеристика определяет функциональную зависимость выходной ве- личины Y от входной Х в установленном режиме, т. е. после истечения времени, когда изменения информации, массы, энергии в звене прекратились. Аналити- чески статическую характеристику можно обозначить как Y = f (X ) .

Взависимости от вида функции f, ИП делятся на линейные и нелинейные.

Клинейным относятся ИП, в которых статическая характеристика имеет вид Y = KX (рис. 3.1, а). Это уравнения прямой линии, которая выходит из начала координат. Величину K называют коэффициентом передачи ИП. В метрологии эту величину называют коэффициентом чувствительности. При нелинейной ха- рактеристике коэффициент K меняется в значительных пределах и определяет-

ся как K = Y / X для соответствующего рабочего пункта А (рис. 3.1, б).

Для каждого преобразователя существует порог чувствительности 0 −

это минимальное значение входной величины, которая может быть измеренная с помощью данного преобразователя. Максимальное значение входной величи- ны, которое можно измерять с помощью преобразователя с нормированной по- грешность, называется границей преобразования. Отношения границы преобра- зования X м к порогу чувствительности называют диапазоном измерения

Dв = Xм / 0 .

16

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

Рис. 3.1. Статические характеристики измерительных преобразователей

Дискретные ИП имеют, как правило, релейную статическую характери- стику (рис. 3.1, в, г). У них при некотором значении плавно изменяемой входя- щей величины Х происходит резкое, скачкообразно изменение выходной вели- чины Y. Причем из-за наличия в дискретных ИП зоны неоднозначности наблю- дается неоднозначность хода характеристики. При непрерывном увеличении и уменьшении входной величины Х скачкообразно изменение выходного Y про- исходит при разных значениях Х.

В первом случае при Х = Хср (срабатывания) Y скачком меняется от Y = Ymin до Y = Ymax . Во втором случае при Х = Хотп (отпускания) Y меняется от Y = Ymax до Y = Ymin . Такие статические характеристики называются релейными.

Они могут быть нереверсивными, если при уменьшении или увеличении Х ве- личина Y не меняет знак или направление (рис. 3.1, в), и реверсивными, в кото- рых при изменении направления Х меняется знак Y (рис. 3.1, г). Для статиче-

ских характеристик релейной ВП можно определить коэффициент возврата Kв = Xотп / Xср и зону возврата в .

К элементам с релейной характеристикой относятся различные контакт- ные и бесконтактные конечные выключатели, электромагнитные и пневматиче- ские реле, контактные измерители уровня, температуры и др.

3.2. Дискретные преобразователи механических перемещений

Дискретные ИП механических перемещений используют для получения управляющих сигналов или команд. Их можно разделить по назначению на ко- мандные и размерные, по конструкции − на контактные и бесконтактные.

17

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

Командные предназначены для получения руководящих команд в опре- деленных точках пути перемещения элемента станка или какого-либо вспомо-

гательного устройства и называются путевые или конечными переключателями

(рис. 3.2).

Размерные преобразователи измеряют размеры деталей, которые обраба- тываются, или величины перемещений рабочих органов.

Вконтактных (рис. 3.2, а) при нажатии руководящего упора 6 на привод- ное приспособление (шток) 1 выключателя подвижные контакты мостикового типа 2 и 3 опускаются вниз. При этом замкнутые контакты размыкаются, а ра- зомкнутые замыкаются. В пазу штока между мостиками находится пружина 5, которая создает контактный натиск. Вторая пружина 4 обеспечивает самовоз-

врат коммутирующего устройства в исходное положение после отпускания упора.

Вбесконтактных выключателях (рис. 3.2, б) управляющий сигнал выра-

батывается в результате изменения параметров выходных цепей электрической схемы в результате изменения индуктивной связи между обмотками при введе- нии между ними экрана.

Вкорпусе выключателя 1 (рис. 3.2, б) по обе стороны щели расположены два ферритовых сердечника 2. На одном из них находятся контурная обмотка Wк и обмотка положительной обратной связи Wпос , а на другом – Wоос обмотка

отрицательной обратной связи (ООС).

На рис. 3.2, в показана схема транзисторного генератора. Колебательный контур WкCк включен в цепь коллектора транзистора VT. В начальном состоя-

нии колебания в генераторе не возникают из-за сильной ООС, которая осуще- ствляется катушкой Wоос . При введении в щель корпуса металлического экрана

3, резко уменьшается индуктивная связь между Wк и Wоос . В результате в кон-

туре возникают незатухающие колебания с частотой несколько килогерц. В коллекторной цепи появится большой выходной ток. После прохождения экра- на ООС восстанавливается и колебания прекращаются. Для стабилизации кол-

18

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

лекторного тока при колебаниях температуры применены нелинейный делитель напряжения на резисторах R1 и R2 и терморезисторе R3. Стабилитрон VD1 осу- ществляет стабилизацию напряжения питания. Диод VD2 стабилизирующий ток коллектора.

При помощи путевых и конечных выключателей автоматизируется работа технологических линий. По истечении одной технологической операции, вы- полняемой неким механизмом, срабатывает дискретный датчик, выключаются одни электрические цепи и включаются другие, приводящие в действие меха- низмы, выполняющие следующие операции.

3.3. Непрерывные измерительные преобразователи перемещений

Наиболее распространенными непрекращающимися ИП механических перемещений являются реостатные, электромагнитные и фотоэлектрические.

Реостатным ИП называют переменный резистор, подвижный контакт ко-

торого перемещается в соответствии с механическим перемещением детали или рабочего органа механизма. Натуральная входная величина реостатного ИП – перемещение, выходная – активное сопротивление.

Статическая характеристика преобразователя есть зависимость выходно- го сопротивления от перемещения контакта, т. е. R = f (x). Реостаты могут ра-

ботать на постоянном и переменного токе низкой частоты и включаются в электрический цепь последовательно с нагрузкой Rн, как реостат (рис. 3.3, а), или параллельно нагрузке, как делитель напряжения (рис. 3.3, б). Статическая характеристика для схемы рис. 3.3, а записывается в виде Iн = f (x) , для схем

рис. 3.3, б, в – Uн = f (x). Если преобразование необходимо осуществлять с уче- том направления перемещения, тогда используют схему рис. 3.3, в.

Рис. 3.3. Схемы включения реостатных ИП

Электромагнитные ИП (ЭИП) реализуют следующие основные разновид- ности функций преобразования:

где L – индуктивность обмотки; W1, W2 – количество витков обмоток; M – взаимная индуктивность обмоток; Zм = Rс + Rз – магнитное сопротивление маг- нитной цепи преобразователя; Rс – магнитное сопротивление стального стерж-

19

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2

ня ИП; Rз – сопротивление воздушного зазора; е – электродвижущая сила (ЭДС); dФ /dt – скорость изменения магнитного потока.

Если менять Rз, перемещая на величину Х подвижный стержень – якорь 1 относительно неподвижного магнитопровода 2, то будет меняться значение L (рис. 3.4, а) или М (рис. 3.4, б). Первый преобразователь называется индуктив- ным, а второй - трансформаторным.

Если к магнитопроводу ИП приложить сжимающие или скручивающие усилия, то произойдет изменение магнитного сопротивления Zм стального стержня (рис. 3.4, в). Это вызывает изменение L или М обмоток. Такие ЭИП на- зывают магнитоупругими. Если в ЭИП с двумя обмотки перемещать вдоль стержня одну обмотку W2 относительно другой W1, то в ней появится ЭДС из-за изменения магнитного потока. Преобразователи называют индукционные (рис. 3.4, г).

В практике измерений перемещений наибольшее распространение полу-

чили дифференциально-трансформаторные преобразователи (ДТП) (рис. 3.5).

ДТП используется при измерении расхода, давления, уровня и других па- раметров, которые могут быть преобразованы в перемещение. Они применяют- ся в системах дистанционной передачи показаний.

На рис. 3.5 показан ДПТ и электрическая схема соединений его обмоток. На каркасе 1 расположены первичная обмотка 2, равномерно намотанная по его длине, с числом витков W1, а также две выходные обмотки 3 и 4 (W2 и W3), ко- торые соединены между собой по дифференциальной схеме. На первичную об- мотку подается напряжение питания переменного тока. В выходных обмотках W2 и W3 индуцируется ЭДС, величина которой определяется током первичной обмотки и величиной взаимоиндукции М2 и М3 между выходными W2 и W3 и первичной обмоткой. При среднем положении плунжера 5 относительно обмо- ток W2 и W3 М2 = М3. При помещении плунжера вверх от среднего положения величина М2 возрастает, а М3 - уменьшается, при помещении плунжера вниз - наоборот.

20

Автоматика, автоматизация и АСУТП / Автоматика и АПП (лабораторные работы) ‘09 v.1.5.2