Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

Нормирующими значениями являются: Х

верхний предел Х

измеряемой величины или диапазон измерения (Х

), где Х

нижний

предел измерения.

Класс точности прибора устанавливается в зависимости от значений

пределов допустимых основной и дополнительной погрешностей. Чаще

класс точности выражается через основную допустимую погрешность

виде относительной погрешности

100=

ЛТ

К . (6.1)

Основная погрешность дается для нормальных условий: температура

окружающей среды 293 К (+20°С); атмосферное давление 101,325 Па (760

мм рт.ст.); влажность воздуха до 80%.

Погрешность измерений, которая является результатом несовершен-

ства средств и методов измерений (включая субъективные особенности

наблюдателя), в зависимости от характера проявления подразделяют на

систематическую Θ и случайную Ψ:

Δ=Θ+ Ψ. (6.2)

Систематическая погрешность измерений

составляющая по-

грешности измерений, которая остается постоянной или закономерно из-

меняется при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность измерений представляет собой составляю-

щую погрешности измерений, изменяющуюся случайным образом при по-

вторных измерениях одной и той же величины в зависимости от множества

случайных факторов, действия которых по-разному складываются при по-

вторении измерений одного и того же объекта (экземпляра готовой про-

дукции или параметра технологического процесса). Примерами случайной

погрешности могут быть: погрешность вследствие вариаций показаний из-

мерительного прибора, погрешность округления при отсчитывании показа-

ний измерительного прибора и т.п.

Статической оценкой случайной погрешности является среднеквад-

ратичное отклонение.

Чувствительность ИП

свойство, заключающееся в способности реа-

гировать на изменение измеряемой величины. Количественно ее можно

выразить как отношение числа делений шкалы п к диапазону измеряемой

величины X

S = . (6.3)

Цена деления характеризуется разностью значений величин, соответ-

ствующих двум соседним отметкам шкалы. Количественно она представ-

ляется величиной, обратной чувствительности.

Минимальное значение измеряемой величины, на которую реагирует

ИП, называется порогом чувствительности.

6.3.2. Типовые измерительные схемы и приборы

технологического контроля

6.3.2.1. Общие сведения о датчиках физических величин

Ведущая тенденция современного развития всех областей техники,

заключающаяся в автоматизации процессов управления, контроля, диагно-

стирования, информатизации и т.д., вызвала резкий рост потребности в

различного рода датчиках, являющихся первичными источниками инфор-

мации об объектах, технологических процессах или внешней среде.

По классификации изделий ГСП датчики делятся на группы по вход-

ным физико-химическим воздействиям и физическим информационным

сигналам на выходе.

Новейшие достижения в области микроэлектроники, материаловеде-

ния, высокотемпературной сверхпроводимости, интегральной и волокон-

ной оптики и других отраслях современной науки и техники приводят к

появлению как принципиально новых, так и к радикальному совершенст-

вованию традиционных типов датчиков.

Наиболее распространенные датчики или первичные измерительные

преобразователи (ПИП) работают по следующей схеме преобразования:

неэлектрическая величина→перемещение→электрическая величина.

Резисторные датчики. Один из наиболее широко применяемых

принципов преобразования физических величин основан на измерении со-

противления чувствительных элементов, которые могут быть реализованы

в виде потенциометров, тензо- и терморезисторов.

Потенциометрические датчики. В них измеряемая физическая ве-

личина обычно с помощью механической передачи преобразуется в пере-

мещение движка потенциометра, что приводит к соответствующему изме-

нению сопротивления. Чаще всего для изготовления проволоки использу-

ются различные сплавы платины, обладающие повышенной коррозион-

ной и износостойкостью, применяются также манганин, константан.

Пример схем проволочных потенциометрических датчиков представ-

лен на рис.6.3. Датчик представляет собой каркас, на котором намотан в

один слой провод с большим удельным сопротивлением, и подвижный

контакт с линейным (рис.6.3, а) или угловым (рис.6.3, б) перемещением

движка, скользящего по виткам провода. Этот преобразователь представ-

ляет собой делитель напряжения. Выходной ток I

и напряжение U

зави-

сят от положения движка потенциометра. Эта зависимость в общем нели-

нейна, что определяется прежде всего отношением полного сопротивления

R потенциометра к сопротивлению нагрузки R

. Величина относительного

изменения сопротивления потенциометра k=r/R, при равномерной его на-

мотке совпадает с относительным перемещением l/L движка потенцио-

метра (где L

общая длина сопротивления R), которое равно нулю при

r=R. Однако при относительно большом сопротивлении нагрузки R

>>R

статическая характеристика принимает линейный вид.

Рис. 6.3. Потенциометрические датчики (преобразователи)

Если R

в 10

20 раз больше R, то нелинейность статической характери-

стики не превышает 1

2 % предела измерений.

×»

(6.4)

Тензорезисторные датчики основаны на явлении тензоэффекта, за-

ключающегося в изменении сопротивления проводников и полупроводни-

ков при их механической деформации. Современные тензорезисторы изго-

тавливаются на основе технологии печатания схем (фольговые тензорези-

сторы) или методами осаждения тонких пленок, позволяющими значи-

тельно улучшить их характеристики. Для датчиков, работающих в диапа-

зоне температур до 180 °С, в качестве тензочувствительного материала ис-

пользуется константан. Для более высоких температур (200-1000 °С) при-

меняются специальные сплавы.

Как правило, для всех тензорезисторов необходимы надежные спосо-

бы их закрепления на поверхности испытываемых (деформируемых) объ-

ектов, а также требуется нанесение герметизирующих покрытий, предот-

вращающих нежелательные загрязнения. Особого искусства и техники

требует также выполнение электрических соединений.

В последние годы изготавливают датчики с полупроводниковыми

тензорезисторами, выращенными непосредственно на упругом элементе,

выполненном из кремния и сапфира. Упругие элементы из кристалличе-

ских материалов обладают упругими свойствами, близкими к идеальным, и

существенно меньшим гистерезисом и нелинейностью по сравнению с ме-

таллическими.

На одном упругом элементе выращивается обычно не один тензорези-

стор, а структура в виде полумоста или даже целый мост; кроме того, тер-

мокомпенсирующие элементы. В частности, КНС-структура (кремний на

сапфире) положена в основу большой серии унифицированных датчиков

давления, образующих приборный комплекс «Сапфир-22». Дальнейшим

развитием унифицированных датчиков абсолютного давления и перепада

давлений является создание комплекса датчиков «Сапфир-300», которые

базируются на чувствительном элементе с МДМ-структурой (металл

ди-

электрик

металл).

Терморезисторы, в отличие от потенциометрических и тензорези-

сторных датчиков, применяются только для измерения температуры. Под-

робнее рассмотрим в разделе «Измерение температуры».

Емкостные датчики. Эти датчики имеют разнообразные области

применения, однако наибольшее распространение они получили для изме-

рения малых перемещений и физических величин, легко преобразуемых в

перемещение, например, давлений.

В простейшем случае они состоят из двух металлических пластин

(электродов), разделенных малым воздушным зазором. Любое изменение

зазора либо перекрывающихся площадей (при движении одной пластины

вдоль другой) будет вызывать изменение емкости, которое затем можно

измерить. Достоинствами емкостных датчиков в отличие от резисторных и

индуктивных являются отсутствие шумов и самонагрева, стабильность

метрологических характеристик во времени, потенциально высокая термо-

устойчивость. Емкостные датчики конструктивно исключительно просты,

в них легко может быть внедрена микроэлектронная технология.

Перемещение подвижного электрода и соответствующее изменение

емкости может быть измерено с помощью самоуравновешивающегося

моста либо автогенератора, в котором изменение емкости изменяет часто-

ту генерации, что особенно привлекательно для цифровых систем.

Изменения емкости конденсатора можно достичь изменением вход-

ной величины: расстояния d между двумя (и более) электродами (рис. 6.4,

а); площади S электродов, образующих собственно емкость (рис. 6.4, б);

диэлектрической проницаемости

cреды между электродами (рис. 6.4, в).

Емкость С плоскопараллельного конденсатора равна С =

dS /

. Ем-

кость цилиндрического конденсатора вычисляется так: С = 2

ln/l

/ D

), где l

длина цилиндра; D

и D

внутренний диаметр внешнего и

наружный диаметр внутреннего цилиндров соответственно.

Диэлькометрические преобразователи, построенные на изменении

расстояния между электродами, используют для измерения малых пере-

мещений (до 1 мм). Для измерения больших перемещений применяют

преобразователи с изменяющейся площадью электродов (рис. 6.4, б).

Преобразователи с изменяющейся диэлектрической проницаемостью

межэлектродного пространства (рис. 6.4, в) часто используют в схемах ав-

томатического контроля и регулирования таких параметров технологиче-

ского процесса, как уровень, толщина продукта, влажность, концентрация

жидкостей, давление.

Достоинства диэлькометрических преобразователей: высокая чувст-

вительность, простота конструкций, малые габариты и инерционность.

Электромагнитные датчики

Электромагнитные датчики получили широкое применение в раз-

личных областях науки и техники благодаря достаточно высокой точности,

широким функциональным возможностям, надежности, особенно при ра-

боте в тяжелых эксплуатационных условиях.

Датчики, преобразующие входную величину

перемещение в измене-

ние индуктивности, называются индуктивными, а в изменение взаимоин-

дуктивности

трансформаторными или (реже) взаимоиндуктивными.

а б в

Рис. 6.4. Диэлькометрические (емкостные) измерительные преобразователи

Индуктивный датчик (рис. 6.5)

основан на изменении индуктивности

обмотки 1 электромагнитного дросселя в

зависимости от воздушного зазора

между сердечником 2 и якорем 3. Здесь

входным воздействием является пере-

мещения якоря 3, а выходной величиной

индуктивность L или выходное

сопротивление X=

(где

частота

переменного тока).

Достоинствами индуктивных

датчиков являются простота и надеж-

ность. Недостатки: сравнительно малая чувствительность, зависимость ин-

дуктивного сопротивления от частоты тока, сравнительно небольшой диа-

пазон линейного участка статической характеристики.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь (ДТП)

получил особо широкое применение. Электрическая схема ДТП с подвиж-

ным сердечником, переметающимся относительно обмоток, представлена

на рис. 6.5.

Первичная обмотка 1 состоит из двух

секций, намотанных согласно, а вторичная

обмотка состоит из секций 3 и 4 , включенных

встречно. Подвижный сердечник 2 соединен с

чувствительным элементом, на который

воздействует измеряемая физическая величина

(перемещение, давление и т.п.). Магнитный

поток от первичной обмотки индуктирует в

секциях вторичной обмотки ЭДС е

и е

значение которых зависит от величины тока в

обмотке 1, его частоты и взаимных

индуктивностей М

и М

между секциями 3 и 4

и первичной обмотки. При среднем

(нейтральном) положении сердечника взаимные

индуктивности М

и М

равны. При отклонении сердечника вверх или вниз

от нейтрального положения значение одной из взаимных индуктивностей

увеличивается, а другой

уменьшается.

ЭДС на выходе ДТП определяется по формуле

(6.5)

Рис. 6.5. Схема индуктивного

датчика

Рис. 6.6. Дифференциально-

трансформаторный

преобразователь

где

частота питания); I

ток питания первичной обмотки

преобразователя; M=M

взаимная индуктивность между выходной и

первичной обмотками, зависящая от положения сердечника в катушке пре-

образователя.

6.3.2.2. Измерительные схемы для датчиков

Малые напряжения постоянного тока, являющиеся выходной вели-

чиной генераторных ПИП (например, термоэлектрических термометров),

можно измерять либо методом непосредственного измерения с помощью

милливольтметра, либо путем использования компенсационной (потен-

циометрической) или дифференциальной схем.

Компенсационная схема, являющаяся одной из основных в средст-

вах автоматического контроля различных параметров технологических

процессов, основана на компенсации (уравновешивании) измеряемой ве-

личины известным падением напряжения на калиброванном сопротивле-

нии.

Дифференциальная измерительная схема служит для измерения

разности между измеряемой величиной и некоторой другой, заранее из-

вестной величиной.

Мостовая измерительная схема

наиболее распространенная при

автоматическом контроле технологических параметров. Параметрические

ПИП включают в мостовые схемы, в которых текущее значение параметра

ПИП сравнивается с заданным его значением (в уравновешенных мостах)

или в измерительной диагонали моста образуется напряжение, функцио-

нально связанное с измерением контролируемого параметра технологиче-

ского процесса (неуравновешенные мосты).

При уравновешенной мостовой схеме применяется нулевой метод из-

мерения тока в диагонали: изменение параметра ПИП (сопротивление, ин-

дуктивность, емкость) компенсируется изменением сопротивления дру-

гого плеча до момента полного исчезновения тока в измерительной диа-

гонали.

6.3.2.3. Методы измерения важнейших параметров

технологических процессов

6.3.2.3.1. Измерение температуры

Температура

один из распространенных параметров, который при-

ходится контролировать в различных средах:

-газовой (помещение цеха или склада, сушильная, запарная и

термофиксационная камеры и т.д.);

-паровой (запарная, сушильная камеры и т.п.);

-жидкостной (вода, водные растворы красителей, органические

растворители, растворы, применяемые при обработке сырья, и т.д.);

-твердой (поверхность плиты пресса, поверхность сушильных бара-

банов и каландров, поверхность деталей аппаратов для вулканизации и т.д.).

В современной практике используются две температурные шкалы:

1. Международная практическая температурная шкала МПТШ с тем-

пературным интервалом 0

100 °C. Температура по ней обозначается

t=...°С.

2. Абсолютная термодинамическая шкала, основанная на втором

законе термодинамики и предложенная Кельвином. В этой шкале за нуль

принята точка, лежащая ниже точки таяния льда на 273,16 °C. Темпера-

тура по этой шкале обозначается Т=...К.

Соотношение значений температуры по этим шкалам описывается

так: Т =t+ 273, 16.

В международной системе единиц СИ в 1961 г. основной единицей

принят кельвин. В России используют обе шкалы.

В зависимости от принципа действия приборы для измерения темпе-

ратуры делятся на следующие группы:

1. Термометры расширения, основанные на изменении объема тер-

мометрической жидкости или линейных размеров твердых тел при изме-

нении температуры; применяются для диапазона температур

200...+750 °С.

2. Манометрические термометры, основанные на изменении давления

газа, жидкости или пара в замкнутой среде при изменении темпера-

туры; применяются для диапазона измеряемых температур от

200 до 1000°С.

3. Термоэлектрические термометры (термопары), основанные на тер-

моэффекте; используются для измерения температур в диапазоне от

200 до +2500 °С.

4. Электрические термометры сопротивления, основанные на

изменении сопротивления проводников и полупроводников от темпера-

туры; используются для измерения температуры в диапазоне от

260 до

+1100 °С.

5. Пирометры излучения, основанные на изменении интенсивности

теплового излучения нагретых тел от их температуры; используются для

измерения температур в диапазоне от + 100 до +8000 °С.

Термометры расширения. К ним относятся жидкостные стеклян-

ные, биметаллические и дилатометрические термометры.

Жидкостные стеклянные термометры применяются для измере-

ния температуры жидких и газообразных сред в диапазоне от

35 до

+100 ... 150 °С (иногда до 500 °С). В качестве термометрической жидкости

используют ртуть, спирт, толуол и т.п. Они могут быть выполнены в виде

термосигнализаторов, имеющих подвижный рабочий контакт, сигнализи-

рующий достижение какой-либо определенной предельной температуры.

Постоянная времени их примерно 2с, точность

десятые доли °С. Недос-

татки

малая прочность и нерегулируемость.

Биметаллические и дилатометрические термометры. Принцип

действия их основан на использовании свойства твердого тела изменять

свои линейные размеры при изменении температуры. Для ограниченного

интервала температур зависимость длины l

твердого тела от температуры t

может быть выражена линейным уравнением вида )tб(ll

, где l

длина тела при температуре 0 °С;

средний коэффициент линейного

расширения тела в интервале температур от 0 до t °С.

Относительно широкое применение в промышленности биметалли-

ческих и дилатометрических термометров обусловлено хорошей надеж-

ностью, простотой конструкции и низкой стоимостью.

Манометрические термометры основаны на зависимости давле-

ния рабочей среды (газа, жидкости, парожидкостной смеси) от темпера-

туры. Термочувствительная система состоит из баллона, соединительного

капилляра, манометрической пружины, заполненной рабочей средой. В за-

висимости от температуры изменяется давление в термобаллоне и в сис-

теме происходит деформация пружины, свободный конец которой пере-

мещается и поворачивает показывающую стрелку, которая также может

иметь воздействие на контактное устройство для сигнализации предель-

ных значений температуры.

Манометр применяется для измерения температуры до 400 °С. Длина

дистанционного капилляра достигает 10

25 м и более. Недостатки этих

термометров: значительная инерционность (несколько секунд), относи-

тельно низкая точность (класс точности 1,6; 2,5), сложность ремонта при

разгерметизации.

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления осно-

ваны на зависимости сопротивления проводников (металлов) и полупро-

водников от температуры R = f(t). При этом сопротивление металличе-

ских термометров (медных, платиновых) увеличивается с ростом контро-

лируемой температуры в объекте и выражается зависимостью:

)tб(RR

+1=

, (6.6)

где R

сопротивление термометра при t = 0 °С; α

температурный

коэффициент электрического сопротивления, 1/град.

Серийно выпускаются платиновые термометры типа ТСП с несколь-

кими стандартными градуировками 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П для тем-

ператур

250...+110 °С и медные типа ТСМ с градуировками 10М,

50М, 100М для температур

200...+200 °С.

Полупроводниковые термометры (термисторы) в отличие от металли-

ческих обладают большим (на два порядка) температурным коэффициен-

том электрического сопротивления, при этом отрицательным. Это опреде-

ляет большую точность измерения (0,005...0,01 °С), что является их пре-

имуществом. Температурная характеристика их выражаются экспоненци-

альной зависимостью R

)/( TB

e×

, где А и В

параметры, характеризую-

щие материал и конструкцию термометра; Т = t + 273 °C.

Недостатки термисторов:

1. Нелинейность температурной характеристики, вынуждающая вы-

полнять измерительные приборы с нелинейной шкалой с разной точностью

измерений на разных диапазонах шкалы.

2. Существенный разброс характеристик, что обуславливает их не-

взаимозаменяемость и ограничивает их распространение. Диапазон изме-

ряемых температур их уже, чем у металлических и составляет 0

180 °С.

Термоэлектрические термометры основаны на термоэлектриче-

ском эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из

двух разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя

бы два места соединения (спая) проводников имеют разную температуру.

Цепь из двух разнородных проводников (рис. 6.7)

называется термопарой. Спай с температурой t называется

горячим. Спай с температурой t

называется холодным или

свободным. Проводники А и В называются тер-

моэлектродами. Термоэлектрический эффект обусловлен

наличием в металле свободных электронов, число которых

в единице объема различно для разных металлов.

Если в спае с температурой t электроны из металла А

диффундируют в металл В в большем количестве, чем в

обратном направлении, то проводник А заряжается

положительно, а В

отрицательно.

Эффект нагревания или охлаждения спая двух разных

металлов, будучи пропорционален току, служит

доказательством того, что спай является местом

возникновения термоЭДС. Это явление в 1854 г. Кельвин

подтвердил экспериментально.

Для замкнутой цепи из двух проводников А и В, спаи которых нагреты

до температур t и t

(см. рис. 6.7), обходя цепь против часовой стрелки, для

суммарной термоЭДС получим следующее выражение:

)()(),(

tetettE

ABABAB

. (6.7)

Рис. 6.7. Цепь

для пояснения

основных

теоретических

зависимостей