ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

100

Электромагнитные индуктивные датчики уступают емкостным по чувствительности и линейности характеристики, но превосходят их по выходной мощности, помехоустойчивости, надежности в условиях производства (где возможны колебания температуры и влажности окружающей среды).

Достоинствами электромеханических электроконтактных дат-

чиков являются простота конструкции, большие мощность и амплитуда выходных сигналов. К недостаткам следует отнести худшие по сравнению с другими датчиками метрологические характеристики – как статические, так и динамические.

Фотоэлектрические датчики обладают наибольшей точностью среди существующих преобразователей, наивысшей разрешающей способностью, отличаются высокой чувствительностью и быстродействием, простотой и надежностью конструкции, малыми размерами и массой, отсутствием механической связи с контролируемым объектом, малой инерционностью, возможностью дистанционного измерения и контроля без измерительного усилия. К недостаткам фотоэлектрических датчиков следует отнести чувствительность к посторонним источникам излучения, недостаточную стабильность и надежность.

Тахогенераторы постоянного тока серии ПТ и переменного тока серии ТТ используются в регулируемых электроприводах средней и большой мощности при невысокой точности регулирования скорости. Они обладают низкими оборотными и полюсными пульсациями и высокой линейностью и стабильностью характеристик.

Для приводов средней мощности, не требующих высокой точности регулирования скорости, используются тахогенераторы постоянного тока серий ЭТ, ТМГ, ТД.

Для станочного привода используются тахогенераторы серии МЭТ, обладающие малой асимметрией и нелинейностью характеристик.

Однако высокие точностные и эксплуатационные требования, предъявляемые к промышленным системам автоматики, привели к тому, что в качественных системах в основном используют фотоэлектрические и электромагнитные датчики перемещения и скорости с цифровой обработкой сигналов.

Термопреобразователи сопротивления (ТС) являются наибо-

лее дешевым и часто используемым типом датчика температуры в объектах управления рассматриваемого нами класса и используются

101

для измерения температуры теплоносителя и воздуха. Принцип действия ТС основан на изменении сопротивления проводника (медь, платина, никель) с изменением температуры. Медные и платиновые ТС обладают хорошей линейностью в интересующих нас диапазонах температур (-50…+50 0С) при измерении температуры воздуха и (0…150 0С) теплоносителя. Наиболее часто используются ТС с градуировками 50М, 100М, 50П, 100П, где 50 и 100 – сопротивление, Ом, при 00С, а М и П обозначают материал ТС (медь и платина.).

Поскольку ТС являются датчиками резистивного типа, то для измерения температуры требуется преобразование сопротивления в один из унифицированных выходных сигналов, что осуществляется либо УСО, либо дополнительными измерительными преобразователями, входящими в состав модулей ввода аналогового сигнала управляющего контроллера.

Давление в жидкостях и газах измерялось ранее с помощью потенциометрических приборов. Низкая стоимость и высокий уровень выходного напряжения обеспечили широкое использование этих приборов в простых системах. Однако им свойственны высокая чувствительность к ударам и вибрациям, а также значительные погрешности, обусловленные механической конструкцией. Эти погрешности приводят к нелинейности передаточных характеристик (примерно 3 %), что ограничивает использование приборов такого типа.

Для устранения недостатков, свойственных потенциометрическим датчикам давления, были разработаны бесконтактные тензометры – приборы, обеспечивающие существенное увеличение погрешности и стабильности и имеющие типовую погрешность 0,5 % полной измерительной шкалы. Их уровень выходного напряжения находится в милливольтовом диапазоне, поэтому после прибора обычно ставят предусилитель.

В отличие от других бесконтактных приборов полупроводниковые тензометры располагают непосредственно на диафрагме, воспринимающей давление, что устраняет механические соединительные детали. Частотный диапазон, чувствительность к вибрациям и точность этих приборов такие же, как у бесконтактных тензометров. Однако поскольку уровень выходного напряжения в полупроводниковых тензометрах низок, то при их использовании также необходимы предусилители, а низкая чувствительность делает их удобными для измерений только высоких давлений. Дальнейшее улучшение харак-

102

теристик тензометров достигается использованием кристаллических диафрагм с напыленными пьезорезисторами.

Усовершенствование тензометров связано с компенсацией различных ошибок, что достигается введением пьезорезистора в состав гибридной интегральной схемы. Гибридный прибор содержит встроенный вакуумный эталон, внутренний нагреватель, который вызывая локальное нагревание (стабилизируя температуру локальной области) уменьшает температурные эффекты, и пьезорезисторы, включенные в схему чувствительного моста Уитстона, служащую одновременно для предварительного усиления и формирования сигнала.

Измерительные преобразователи расхода теплоносителя де-

лятся на электромагнитные, вихревые, ультразвуковые и тахометрические.

Принцип работы преобразователя расхода электромагнитного типа основан на явлении электромагнитной индукции (рис.4.6). При прохождении теплофикационной или водопроводной воды (или другой жидкости, обладающей достаточной электропроводностью) через магнитное поле в ней, как в движущемся проводнике, наводится электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная средней скорости жидкости. ЭДС снимается двумя электродами, расположенными диаметрально противоположно в одном поперечном сечении трубы первичного преобразователя заподлицо с ее внутренней поверхностью. Сигнал от первичного преобразователя подается на вход измеритель- но-вычислительного блока, обеспечивающего дальнейшую его обработку.

Принцип действия преобразователя расхода вихревого типа

(рис.4.7) основан на измерении частоты отрыва вихрей от турбулизатора, выполненного в виде трапецеидальной призмы и помещенного

впоток жидкости, протекающей по трубопроводу. Вихри, наблюдаемые в потоке жидкости, регистрируются электродом, находящимся в поле постоянного магнита. Частота следования вихрей прямо пропорциональна расходу жидкости, статическая характеристика преобразования описывается линейной функцией.

Преобразователь устойчиво работает в диапазоне скоростей жидкости 0,2<W<10 м/с. При значениях скоростей жидкости меньше 0,2 м/с (это соответствует слабому турбулентному течению жидкости

вместе обтекания ею указанной призмы) преобразователь перестает нормально работать.

103

Рис. 4.6. Преобразователь расхода электромагнитного типа

Рис. 4.7. Преобразователь расхода вихревого типа

104

В связи с тем, что работа данного типа преобразователя расхода зависит от степени турбулентности течения жидкости, диапазон его возможностей по измерению расхода теплоносителя в несколько раз меньше, чем диапазон измеряемых расходов с помощью преобразователей расхода электромагнитного типа, что является существенным недостатком.

Принцип действия преобразователя ультразвукового типа по-

казан на рис. 4.8. Пьезоэлектрические преобразователи ПЭП1 и ПЭП2 работают попеременно в режиме «приемник-излучатель».

Рис 4.8. Преобразователь расхода ультразвукового типа

Скорость распространения ультразвукового сигнала в воде, заполняющей трубопровод, представляет собой сумму скоростей ультразвука в неподвижной воде и скорости потока в проекции на рассматриваемое направление распространения ультразвука. Время распространения ультразвукового импульса от ПЭП1 к ПЭП2 и от ПЭП2 к ПЭП1 зависит от скорости движения воды в соответствии с формулами

где t1 , t2 – время распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока;

Lа – длина активной части акустического канала;

105

LД – расстояние между мембранами ПЭП;

С0 – скорость ультразвука в неподвижной воде; V – скорость движения воды в трубопроводе; α – угол в соответствии с рис 4.8.

В результате простых математических преобразований получается следующая формула для определения расхода жидкости, протекающей на месте установки ПЭП:

где ∆t – разность времени распространения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока;

D – диаметр трубопровода на месте установки ПЭП; К – программируемый коэффициент коррекции.

У этого типа преобразователей расхода соотношение максимального и минимального измеряемых расходов не превышает величину 100:1. Ультразвуковые преобразователи расхода наиболее удобно использовать в переносных приборах, так как измерение расхода ультразвуковым методом не требует нарушения целостности трубопровода.

Основным узлом тахометрического датчика (рис. 4.9) является турбинка или крыльчатка, скорость вращения которой зависит от скорости потока жидкости.

Рис 4.9. Принцип работы преобразователя тахометрического типа

106

Частота вращения лопастного устройства пропорционально объему протекающей жидкости, а показания счетного устройства приводятся с помощью масштабирующего редуктора в единицах объема.

При работе тахометрических преобразователей с измерительновычислительным блоком теплосчетчика у каждого из них имеется дополнительный импульсный выход, сигнал с которого поступает на вычислитель.

Релейные датчики используются для сигнализации достижения технологическим параметром некого порогового значения. К ним относятся датчики-реле температуры, перепада давления, напора, сигнализаторы уровня. Как правило, такие датчики обеспечивают замыкание механического контакта ("сухой контакт"). Поскольку механический контакт характеризуется "дребезгом", то для надежной регистрации события требуется принятие специальных мер по подавлению дребезга – использование специальных электрических схем или программная фильтрация сигнала.

4.4. Исполнительные механизмы

Магнитные пускатели (МП) представляют собой исполнительные устройства – электромагнитные реле, предназначенные для подключения мощной нагрузки, такой как электродвигатели, к электрической сети. Магнитные пускатели оснащаются датчиками подтверждения срабатывания типа "сухой контакт". На рис. 4.10 показана схема подключения МП к управляющей системе.

С целью предотвратить помехи и пригорания механических контактов при срабатывании МП в качестве реле, коммутирующего катушку МП и электрическую сеть, целесообразно использовать твердотельные реле (рис.4.11).

Клапан запорно-регулирующий (КЗР) является распростра-

ненным видом дроссельных исполнительных механизмов c электромеханическим приводом с однофазным электрическим двигателем. КЗР оснащаются концевыми выключателями с выходом типа "сухой контакт" и дополнительно могут иметь датчик промежуточного положения как резистивный, так и с унифицированным выходным сигналом напряжения или тока.

107

Рис. 4.10. Схема включения магнитного пускателя

Рис. 4.11. Схема включения твердотельного реле

На рис. 4.12 показана схема подключения КЗР к управляющей системе.

Изменение скорости перемещения клапана осуществляется подачей сигнала «открыть/закрыть», модулированного по длительности (рис.4.13), на входные цепи коммутационных реле 4 (см. рис.4.12). В качестве коммутационного реле целесообразно использовать твердотельные реле, не имеющие ограничений по числу срабатываний и нагрузочной способностью не меньше 400В 0,7А.

108

Рис. 4.12. Схема включения КЗР:

1 - обмотки электродвигателя, 2 - датчики крайних положений, 3 - концевые выключатели, 4 - коммутационные реле

Рис. 4.13 Сигнал на изменение скорости перемещения клапана

Механизм электрический однооборотный (МЭО) – это ме-

ханизм, у которого угол поворота выходного вала не превышает 3600. МЭО в нашем случае использовался в качестве привода воздушной заслонки в системе управления вентиляцией (см. рис.4.5). Схема под-

109

ключения МЭО к управляющей системе, выходные и управляющие сигналы, способ регулирования скорости поворота выходного вала аналогичны КЗР.

4.5. Устройства связи с объектами

Устройства связи с объектами (УСО) являются неотъемлемой частью любой АСУ ТП. Эти устройства обеспечивают преобразование сигналов от датчиков к контроллеру, передают управляющие сигналы от контроллера на исполнительные устройства. Конструктивно УСО могут выполняться в виде:

-отдельного модуля;

-субмодуля на плате управляющего контроллера;

-составной части датчика;

-составной части исполнительного устройства. Как правило, на УСО возлагаются функции:

-нормализация аналогового сигнала – приведение границ сигнала первичного источника к одному из стандартных диапазонов аналого-цифрового преобразования;

-фильтрация аналогового сигнала;

-подавление дребезга источника дискретного сигнала типа "сухой контакт";

-гальваническая изоляция между источником аналогового/цифрового сигнала и измерительного канала управляющего контроллера;

-гальваническая изоляция выходного канала управляющего контроллера от исполнительного устройства;

-коммутация мощной нагрузки.

По способу сопряжения с вычислительной системой модули

УСО можно разделить на две группы.

К первой группе относятся модули УСО, устанавливаемые в монтажные панели в непосредственной близости от контроллеров и сопрягаемые с последними сигнальными кабелями.

Ко второй группе относятся интеллектуальные модули УСО, оснащенные специальным контроллером и подключаемые к управляющей системе через локальную промышленную сеть.