Міністерство науки та освіти України

Національний університет “Львівська політехніка”

Дослідження давачів та приладів з дискретним вихідним сигналом

Інструкція до лабораторної роботи № 1

з курсу “Автоматизація періодичних технологічних

процесів” для студентів базового напрямку 6.0925 “Автоматизація та

комп’ютерно-інтегровані технології ”

Затверджено

на засіданні кафедри

“Автоматизація теплових та

хемічних процесів”

Протокол № 1 28.09.2000 р.

Львів Львівська політехніка 2002

Дослідження давачів та приладів з дискретним вихідним сигналом. Інструкція до лабораторної роботи № 1 з курсу “Автоматизація періодичних технологічних процесів” для студентів базового напрямку 6.0925 “Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології ”/Укл. В.О.Фединець, І.С.Васильківський. Львів: Вид-во нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2001. - 11 с.

Укладачі: В.О.Фединець, к.т.н., доцент

І.С.Васильківський, к.т.н.,доцент

Відповідальний за випуск Пістун Є.П., д.т.н., професор

Рецензенти: Стасюк І.Д., к.т.н., доцент

Юсик Я.П., к.т.н., доцент

Мета роботи: ознайомлення з принципом дії і конструктивними особливостями давачів та приладів з дискретним вихідним сигналом, їх використанням в системах керування, захисту і сигналізації.

Необхідна підготовка: знання принципів дії давачів і приладів з дискретним вихідним сигналом.

Основні відомості

При автоматизації періодичних технологічних процесів широко використовуються логічні системи керування, в яких послідовність і час проведення технологічних операцій (стадій) залежить від стану об’єкту керування в поточний момент часу. Стан об’єкту керування визначається за допомогою вста-

Рис.1. Структурна схема пристрою з дискретним вихідним сигналом:

1 - первинний вимірювальний перетворювач (ФП - фізичний перетворювач, НП - нормуючий перетворю­вач); 2 – задавач;

3 - елемент порівняння; 4 - формувач дискретного вихідного сигналу.

2

3

4

1

ФП

НП

Y

новлення на ньому первинних перетворювачів з дискретним вихідним сигналом. При досягненні контрольованим параметром деякого наперед заданого значення вихідний сигнал таких перетворювачів змінюється стрибкоподібно, що можна використати для переведення періодичного технологічного процесу від однієї операції до наступної, для автоматичного включення резервного обладнання, автома- тичної сигналізації, блокування і захисту, в системах позиційного регулювання, тощо.

Структурна схема пристрою з дискретним вихідним сигналом показана на рис.1. Він складається з первинного вимі­рювального перетворювача 1, задавача 2, елементу порівняння 3 і формувача вихідного сигналу 4. Первинний вимірювальний перетворю­вач 1 перетворює контрольовану ве­личину в сигнал (переміщення, момент, тощо) зруч­ний для подальшої обробки. Задавач 2 використовується для створення сигналу пропорційного до заданого значення контрольованої величини. З елементу порівняння 3 сигнал , пропорційний різниці дійсного і заданого значення, подається на формувач 4 вихідного сигналу Y.

Теоретична статична характеристика пристрою з дискретним вихідним сигналом має вигляд:

або

де “1” і “0” - логічні одиниця і нуль, що означають наявність і відсутність вихідного сигналу.

Статична характеристика реальних пристроїв з дискретним вихідним сигналом має вигляд, показаний на рис.2. Стрибкоподібне збільшення вихідної величини Y відбувається при деякому значенні вхідної величини , яке називається параметром спрацювання, а стрибкоподібне зменшення значення Y (звичайно до 0) відбувається при значенні , яке називається параметром відпускання. Різниця називається зоною нечутливості _Н або диференціалом пристрою з релейним виходом.

Існує багато конструкцій давачів і приладів з дискретним вихідним сигналом. Це спеціально сконструйовані безшкальні давачі для автоматичних систем сигналізації і захисту, логічних систем керування (давачі-реле температури, тиску, різниці тисків, рівня, наявності пото­ку, комбіновані, тощо), а також вимірювальні прилади параметрів технологічного процесу (манометри, автоматичні мости і потенціометри, прилади з диференціально-трансформаторною системою для дистанційного передавання вимірювальної інформації, тощо), які додатково обладнані відповідними контактними пристроями.

Розглянемо основні види таких приладів і давачів.

За виконанням вони можуть бути одно- і багатодіапазонними, безшкальними, з електричним або пневма­тичним вихідним сигналом, з дво- або трипозиційним контактним вихідним пристроєм.

Давачі-реле температури в залежності від принципу дії поділяються на ртутні, манометричні, біметалічні, дилатометричні, резистивні.

Ртутні сигналізатори температури є ртутними термометрами з контакта­ми з платинового дроту, впаяного в нижню частину капіляра (нульовий контакт). Коли обидва контакти з’єднуються стовпчиком ртуті, замикається підключене до сигналізатора електричне коло.

Контактні термометри виготовляють із змінним положенням робочого кон­такту, яким є вольфрамовий дріт всередині капіляра. Контакт пересувається гвин­том за допомогою підковоподібного магніту, встановленого у верхній частині тер­мометра. Термометр має дві шкали: верхню - для встановлення зав­дання і нижню - для вимірювання дійсної температури.

Діапазон контрольованої температури цих приладів 0...300 С, а допус­тима похибка встановлення робочих контактів не перевищує 3 С.

Дія манометричних давачів-реле температури базується на залежності тиску робочої речовини в замкнутому об’ємі від контрольованої температури. При збільшенні температури збільшується тиск в системі, що викликає деформацію пружного чутливого елемента і відповідне спрацювання зв’язаних з ним контактів.

Дія біметалічних та дилатометричних термореле полягає в зміні ліній­них розмірів твердих тіл при зміні температури нагріву.

4

1

3

2

Рис.3. Схема реле температури ТР-200

1 - латунна трубка; 2 - інварові пластини;

3 - контакти; 4 - гвинт.

На рис.3 наведена схема дилатометричного термореле типу ТР-200. Чут­ливий елемент термореле складається з латунної трубки 1 і двох пластин 2 з інвару. Інвар - сплав заліза і нікелю (36 %). Температурний коефіцієнт ліній­ного розширення інвару C^-1 в інтервалі температур (-80...+100) С. Латунь - сплав міді з цинком (до 50 %), . На пластинах 2 пара розмикаючих контактів 3. Контакти 3 електрично ізольовані від пластин 2. При підвищенні температури відстань зменшується внаслідок різних коефіцієнтів лінійного розширення латунної трубки і інварових пластин. Коли температура досягає заданого значення, відстань зменшується до нуля. Подальше зростання температури викликає розтягування інварових пластин 2 і розмикання контактів 3. Задане значення спрацювання термореле встановлюється гвинтом 4, який дозволяє змінювати відстань . Термореле працює в діапазоні 25...200 С, похибка спрацювання контактів складає 5 С.

В схемах сигналізації і позиційного регулювання температури використовують також електронні терморегулятори типів РТ-2, ТМ-2, ТМ-4, ПТР-2 (двопозиційні); РТ-3, ТМ-8, ТМ-12, ПТР-3 (трипозиційні). В основу цих електронних терморегуляторів покладений мостовий метод вимірювання температури в комплекті з термоперетворювачами опору (мідними або платиновими в регуляторах типу РТ, ТМ; напівпровідниковими - в регуляторах типу ПТР). Мостова вимірювальна схема являє собою чотириплечий міст, який живиться напругою змінного струму. В одне з плеч моста під’єднують термоперетворювач, в друге, суміжне з ним - задавач. Резистор вибору значення диференціалу включений послідовно в діагональ живлення. Зменшення напруги живлення зменшує чутливість вимірювальної схеми. Вимірювальна діагональ моста під’єднується до фазочутливого підсилювача, який визначає величину і фазу небалансу моста в залежності від різниці між дійсним і заданим значеннями температури. Вихідна напруга підсилювача діє на одне з вихідних реле, яке замикає або розмикає контакти на виході регулятора.

Суттєвий недолік регуляторів ПТР - відсутність взаємозамінних термо­перетворювачів (термісторів).

Регулятори ТМ-2, ТМ-8 оснащені додатковими пристроя­ми, за допомогою яких покращується якість регулювання температури.

Рис.4. Схема сильфонного задавача-реле тиску:

1 - сильфон; 2 - пружина; 3 - важіль; 4 - мікровимикач; 5 - гвинт.

Широкого розповсюдження набули регулятори приладного типу, що вмонтовуються у вторинні прилади серії КС2, РП. Регулятори побудовані аналогічно електронним терморегуляторам. Вони містять в собі мостову вимірювальну схему, фазочутливий підсилювач, сигнал з якого подається на вихідні реле. Останні через проміжні реле керують відповідними виконавчими механізмами або схемами сигналізації. Мостова вимірювальна схема складається з чотирьох постійних та двох змінних резисторів. Змінні резистори (реохорди) використовуються як давач та задавач регульованої величини. Задане значення встановлюється ручно рухомими контактами реохорда завдання. Реохорд, що вводить в регулятор дійсне значення регульованої величини встановлюють на одній основі з реохордом вимірювального приладу, тому їх контакти працюють синхронно. Небаланс між дійсним і заданим значеннями регульованої величини у вигляді напруги певної фази подається на підсилювач. Якщо регульована величина менша заданого значення, то під дією вихідного сигналу підсилювача спрацьовує одне з керуючих реле, що відповідає позиції “мало”. Якщо більше, то спрацьовує друге керуюче реле, що відповідає позиції “багато”. Керуючі реле, замикаючи свої контакти, вмикають відповідні вихідні блоки реле БР, що безпосередньо керують виконавчими механізмами підключеними до регулятора.

Принцип дії давачів-реле тиску (рис.4) полягає в зрівноваженні сили, що створюється тиском контрольованого середовища на чутливому елементі 1 силою пружної деформації гвинтової пружини 2. Важіль 3, зв’язаний механічно як з сильфоном так і з пружиною 2, виконує в даному пристрої функцію елемента порівняння. При зміні тиску від заданого значення важіль 3 переміщується, діючи на мікровимикач 4, що формує релейний вихід давача-реле. Обертанням ручки гвинта 5 можна змінювати задане значення тиску спрацювання реле. Як чутливі елементи в давачах-реле використовують мембрани або сильфони. Основна похибка реле тиску не більша 1 %.

Рис.5. Схема електроконтактного манометра:

1, 2 - стрілки-задавачі; 3 - контакти; 4 - рухома стрілка манометра; 5 - трубка Бурдона; 6 - передавальний механізм.

HL1

HL2



P

1

3

5

2

6

Електроконтактні манометри, вакуум­метри, мановакуумметри і манометричні тер­мометри відрізняються від показуючих приладів цього типу наявністю додаткового електро-контактного пристрою (контактної групи). Схема електрокон-тактного манометра наведена на рис.5. В показуючий манометр додатково введені дві стрілки 1, 2, д

4

о яких пружними струмо-проводами прикріплені електричні контакти 3. Стрілки 1, 2 встанов-люють на заданих граничних значеннях тиску. Показуюча стрілка 4 є рухомим електричним контак-том. Якщо тиск знаходиться в межах робочого діапазону, електричні кола розімк-нуті. При досягненні показуючою стрілкою однієї із задаючих замикається відповідне електричне коло. Воно залишається замкнутим при подальшому відхиленні значення тиску за межі робочого діапазону. Клас точності приладів 1,5. Похибка спрацювання контактів 2.5 %.

Давачі-реле рівня призначені для контролю рівня рідких сипких середовищ. За принципом дії давачі-реле (сигналізатори) рівня поділяються на поплавкові, мембранні, ємнісні, індуктивні, резистивні, радіоізотопні, теплові, фотоелектричні, з використанням принципу провідності, тощо.

На рис.6 наведена схема сигналізатора рівня, що працює на принципі про­відності контрольо­вано­го середовища. Прилад містить релейний блок і три давачі. Два давачі 1Е, 2Е можуть використовуватись для підтримання рівня в ро­бочому діапазоні ( ), а третій 3Е - для контролю за аварійним положенням верхнього рівня . Давач складається із корпуса і електрода, що занурюється в контрольоване середо­вище. Спрацювання реле KL1, KL2, KL3 в релейному блоці відбувається в мо­мент контакту відповід­ного елек­трода Е з контрольованою рідиною. Сигналізатор може бути забезпечений четвертим давачем, який використовується для заземлення, якщо резервуар з рідиною виготовлений з непровідного матеріалу.

Для стійкої і безпечної роботи на різних рідинах в сигналізаторах вико-ристовують транзис-торні підсилювачі. В момент контакту рідини з електродом відкриваються тран-зистори, які керують роботою реле.

Сигналізатори використовують для відносно чистих і неагресивних середовищ з провідністю більше 0.002 См.

Опис лабораторної установки

FU

= 24 В

HL1

HL2

KA1-1

KA1-2

SP1

SP2

HA1

KA1

HB1

ЕКМ-1У

Рис.7. Схема сигналізації тиску з використанням електроконтактного манометра ЕКМ-1У

Дослідження приладів з дискретним виходом виконують на установці, схема

= 24 В

Світловий сигнал РдРзад 

Світловий сигнал РдРзад 

Звукова сигналізація РдРзад 

Реле проміжне КА1

Кнопка зняття звукового сигналу НВ1

якої наведена на рис. 7 для випадку дослідження електроконтактного манометра.

Схема складена так, що при досягненні заданого мінімального значення тиску буде включена світлова сигналізація. При досягненні заданого максимального значення буде включена відповідна світлова і звукова сигналізація.

Якщо тиск Р_д є меншим ніж задане значення Р_зд , то замикається контакт SK1 приладу. На сигнальну лампу HL1 подається напруга живлення 24 В і вона засвічується.

Якщо ж тиск стає більшим заданого, то замикається контакт SK2. Напруга живлення подається на сигнальну лампу HL2 через розмикаючий контакт КА1-1 реле КА1 на обмотку дзвінка НА1. Засвічується лампа HL2 вмикається дзвінок. Для зняття звукового сигналу необхідно натиснути кнопку НВ1. При цьому на обмотку реле КА1 подається напруга живлення. Реле змінює положення контактів. Контакт КА1-1 розмикає коло живлення дзвінка НА1. Контакт КА1-2 блокує реле, тобто обмотка реле КА1 залишається під напругою і при ненатиснутій кнопці НВ1.

Якщо значення тиску знаходиться в межах робочого діапазону, лампи HL1 і HL2 вимкнені.

Схема може забезпечити появу звукового сигналу при досягненні мінімального значення тиску. Для цього коло дзвінка та реле повинні бути включені через контакт SP1 електроконтактного манометра.

Сигнальні елементи схеми можуть бути підключені до контактів будь-якого досліджуваного давача або приладу та використані при збільшенні або зменшенні контрольованої величини.

Порядок роботи

1. Ознайомитись з різними конструкціями електроконтактних давачів і приладів, простежити спрацювання їх контактних груп.

2. Скласти задану схему сигналізації або позиційного регулювання і перевірити її працездатність.

3. Провести дослідження давачів і приладів представлених на лабораторному стенді. Заповнити протокол роботи. Зробити висновок про відповідність при­ладів своїм класам точності.

Контрольні питання

1. Розкажіть про склад пристроїв з релейним виходом.

2. Що таке ”зона нечутливості” приладу з релейним виходом?

3. Поясніть принцип дії електроконтактного термометра.

4. Поясніть принцип дії реле тиску.

5. Поясніть принцип дії електроконтактного манометра.

6. Поясніть принцип дії давача-реле рівня.

7. Поясніть принцип дії позиційного терморегулятора.

8. Нарисуйте і поясніть електричну схему світлової та звукової сигналізації мінімального (максимального) значення контрольованої величини з викорис­танням електроконтактного манометричного термометра.

9. Нарисуйте схему сигналізації верхнього та нижнього робочого рівнів і аварійного верхнього (нижнього) рівня в резервуарі.

10. Поясніть, в чому полягає дослідження пристрою з релейним виходом.

Література

1. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник. Под общ. ред. В.В.Черенкова. - Л.: Машиностроение, 1987. - 847с.

2. Шарков А.А., Притыко Г.М., Палюх Б.В. Автоматическое регулирование и регуляторы в химической промышленности. - М.: Химия, 1990. - 288с.

3. Технические средства автоматизации химических производств: Справ. изд./ В.С.Балакирев, А.А.Барский, А.В. Бугров. - М.: Химия, 1991. - 272с.

Протокол лабораторної роботи

1. Реле , тип , № ,

діапазон вимірювання , клас точності ,

тип і кількість контактів .

Допустимі похибки спрацювання контактів .

Задані значення спрацювання контактів .

Перевірка роботи контактів

- Мінімальний контакт замикається при зниженні до ;

- максимальний контакт замикається при підвищенні до .

Абсолютні похибки спрацювання контактів .

Висновок: .