Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

Если t=t

,то

,0)()(),(

0000

=+= tetettE

BAABAB

т.е.

)()(

tete

ABBA

. (6.8)

Тогда уравнение (6.5) примет вид

).()(),(

tetettE

ABABAB

(6.9)

Приняв температуру холодного спая t

=соnst, получим

)(),(

tfttE

. (6.10)

Для конкретной термопары измерение температуры сводится к

определению термоЭДС термопары.

На практике цепь (см. рис. 6.7) разрывается в месте холодного спая

для подключения измерительного прибора (проводник С на рис. 6.8).

При этом в процессе измерения температура свободных концов тер-

мопары t

' может оказаться отличной от t

при градуировке термопары

(обычно t

=0 ° С, реже 20 °С), тогда необходимо вводить поправку:

).,(),(),(

ttEttEttE

ABABAB

±=

(6.11)

Знак (+) соответствует, если

tt >

, а (-)

если

. Для автоматического учета поправки на

изменение температуры свободных концов термопары в

измерительных схемах приборов применяют специ-

альные термостатирующие мосты.

На предприятиях наиболее распространены сле-

дующие стандартные термопары: 1. Хромель-копелевая

(ХК). 2. Хромель-алюмелевая (ХА). 3. Платино-платино-

родиевая (МП) и др.

Широкое распространение термопар ХК и ХА

обусловлено их хорошей чувствительностью (0,069 и

0,04 мВ/град) и линейностыо. Диапазон измеряемых

температур для них доходит соответственно до 600 и

1100 °С. Термопара НП применяется для измерения

более высоких температур (до 1300

1600 °С).

Рис. 6.8.

Схематическое

оформление

термопары

Автоматические электронные потенциометры и мосты

Приёмниками информации от датчиков в электрических системах пе-

редачи с унифицированным токовым сигналом могут быть промежуточные

преобразователи, регуляторы, измерительные (вторичные) приборы

и средства вычислительной техники. Большинство датчиков оснащены

преобразователями типа «сила

ток» или «перемещение

ток». К другим

распространенным электрическим системам передачи измерительной ин-

формации относятся: система с унифицированным частотным сигналом,

дифференциально-трансформаторная система, сельсинная система.

Наиболее распространенными вторичными приборами для работы в

комплекте с термопарами и термометрами сопротивления являются:

- приборы аналоговые автоматические следящего уравновешивания

КСП, З-П, КСП З-ПИ, КСП 3-С, КСУ 3 (потенциометры для работы с тер-

моэлектрическими преобразователями ТХК, ТХА, ТПП, ТПР, телескопом

радиационного преобразователя), КСМ З-П, КСМ З-ПИ (мосты для ра-

боты с термопреобразователями сопротивления ТСП, ТСМ) с регистра-

цией показаний на дисковой диаграмме; КСП-4 (потенциометр, выпол-

няемый в одноканальном и 3-, 6- и 12- канальном исполнениях) с регист-

рацией показаний на ленточной диаграмме;

- приборы регистрирующие ДИСК-250, ДИСК-250И, более новые,

чем КСП и КСМ; предназначены для измерения и регистрации активного

сопротивления, силы (только ДИСК-250) и напряжения постоянного тока, а

также неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы.

Приборы имеют различные выходные устройства для сигнализации и

регулирования, предназначены для работы в закрытых помещениях без аг-

рессивных сред при температуре окружающею воздуха от 5 до 50 °С и

верхнем значении относительной влажности 80% при 35 °С.

Потенциометр КСП-4 построен по блочному принципу. Блоки и от-

дельные элементы потенциометра располагаются внутри корпуса на вы-

движном кронштейне. Принципиальная (упрощенная) схема потенцио-

метра типа КСП для измерения ЭДС компенсационным методом приве-

дена на рис. 6.9.

Если измеряемая термоЭДС

),(

ttE

не равна компенсирующему на-

пряжению U

, то сигнал рассогласования АП (в виде напряжения постоян-

ного тока) подается на входное устройство ВУ, представляющее собой пре-

образовательный элемент, в котором сигнал рассогласования

пре-

образуется в электрический сигнал переменного тока и подается на вход

усилителя У, выходной сигнал которого приводит в действие реверсивный

двигатель РД. Выходной вал РД вращается в ту или иную сторону в зави-

симости от полярности сигнала

и через систему кинематической пере-

дачи перемещает движок R

измерительной схемы ИС, изменяя компенси-

рующее напряжение U

до тех пор, пока оно не станет равным измеряемой

термоЭДС

),(

ttE

. Одновременно с этим приводится в движение каретка с

указателем, перемещающимся относительно шкалы, и пером самописца,

регистрирующим характер изменения контролируемого параметра во

времени на диаграммной ленте, приводимой в движение синхронным дви-

гателем СД. В измерительную схему ИС включено медное сопротивление,

которое располагается вблизи свободных концов термопары и служит для

автоматического учета поправки

),(

ttE

на изменение температуры сво-

бодных концов термопары во время измерения.

Таким образом, благодаря наличию электронного усилителя и ревер-

сивного двигателя, приводящего систему в равновесие, осуществляется

непрерывное автоматическое измерение величины технологического па-

раметра, а также возможность его изменения по определенному закону по-

средством встроенных в потенциометр регулирующих устройств (на

рис. 6.9 не показано).

Принципиальная (упрощенная) схема автоматического электронного

моста типа КСМ (компенсатор самопишущий мостовой) аналогична схеме

потенциометра, но не содержит преобразовательное входное устройство

ВУ. КСМ предназначен для непрерывного измерения, записи и

регулирования температуры при работе в комплекте с термометром

сопротивления R

Термометр сопротивления R

подключатся к мосту по трехпроводной

схеме: это уменьшает ошибку показаний от изменения температуры окру-

жающей среды.

Существуют многоканальные автоматические регистрирующие при-

боры, предназначенные для одновременного измерения различных физи-

ческих, химических и других неэлектрических величин, преобразованных

в электрическое напряжение или ток, и одновременной непрерывной за-

писи кривых на общей диаграммной ленте, наглядно показывающей изме-

нения технологических параметров исследуемого процесса. Непрерывные

Рис. 6.9. Упрощенная схема автоматического потенциометра

измерение и запись позволяют с высокой точностью производить срав-

нение и высокоэффективный анализ записанных на диаграммной ленте

кривых.

6.3.2.3.2. Измерение давления

Приборы для измерения давления устанавливаются обычно на маги-

стралях, по которым подается технологический пар или сжатый воздух, в

гидравлических линиях высокого давления для приводов прессов, для тех-

нологических измерений или управления отпарочными аппаратами и дру-

гим оборудованием. Различают следующие виды давления: абсолютное

абс

, барометрическое атмосферного воздуха Р

, избыточное Р

и вакуум

метрическое Р

Абсолютное давление Р

абс

полное давление, под воздействием кото-

рого находится жидкость, газ или пар: Р

абс

= Р

+ Р

Разность между абсолютным давлением и давлением окружающей

атмосферы называется избыточным давлением: Р

= Р

абс

Приборы для измерения давления называются манометрами.

Если абсолютное давление меньше барометрического, то разность

между ними называется вакуумметрическим давлением (разрежением или

вакуумом) Р

=Р

абс

Приборы для измерения вакуума называются вакуумметрами. В меж-

дународной системе единиц (СИ) в качестве основной единицы давления

принят паскаль (Па) [ньютон на квадратный метр] (Н/м

). В качестве

чувствительных элементов используются: манометрические трубки,

мембраны, сильфоны (гофрированные стаканы). При этом измеряемое

давление преобразуется в перемещение, которое тем или иным способом

преобразуется в электрический сигнал, либо в перемещение по-

казывающей стрелки.

а б

Рис. 6.10. Мембранный (а) и сильфонный (б) чувствительные элементы

Мембранные и сильфонные чувствительные элементы.

Мембранные ЧЭ применяются для измерения небольших давлений (рис.

6.10). В качестве материала мембран используется резина или кожа.

При давлении выше 10 000 Па применяют металлические (латунные,

бронзовые и др.) мембраны или мембранные гофрированные коробки (а).

При этом улучшаются линейность характеристики и ход выходного штока

с приводом стрелки. При более высоких давлениях используют сильфоны

(чаще с пружиной) (б), которые обеспечивают больший ход h измеритель-

ного штока при хорошей линейности характеристики.

Широкое распространение получили сигнализирующие манометры

типа ЭКМ, манометры с индуктивным съемом сигнала давления типа

МЭД и самопишущие сигнализирующие манометры типа МСС и др.

Как уже отмечалось выше (в подразд. 2.2.1), все более распространен-

ными и перспективными средствами измерения различных видов давления

являются приборы на основе тензорезисторных чувствительных элементов.

6.3.2.3.3. Измерение количества и расхода вещества

Приборы для измерения количества и расхода вещества широко при-

меняются на производстве как для контроля за ходом технологического

процесса, так и для учета расходования сырья, топлива, выработки про-

дукции и т.д. Необходимо различать понятия «количество» и «расход». Под

понятием количество вещества имеют в виду количество вещества, про-

шедшее через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток

времени (смену, сутки, месяц и т.д.), а под расходом

количество веще-

ства, прошедшее через данное сечение трубопровода в единицу времени.

Количество вещества измеряется счетчиками количества, при

этом количество вещества определяют как разность показаний счетчика в

начале и в конце промежутка

времени. Приборы,

предназначенные для измере-

ния расхода вещества,

называют расходомерами.

Количество вещества

выражают в единицах массы

(кг) либо объема (м

Единицами измерения расхода

вещества служат массовые

единицы (кг/с, кг/ч) и

объемные (м

/с, м

/ч).

Соотношение единиц

объемного (Q

об

) и массового

) расходов определяется по

формуле Q

об

, где

плотность вещества, кг/м

Наиболее распространенными

являются расходомеры: по переменному перепаду давления, постоянного

перепада давления и электромагнитные.

Расходомеры по переменному перепаду давления (рис. 6.11) осно-

ваны на зависимости перепада давления в сужающем устройстве

(диафрогме или сопле)

)(

PPp -=D

(диафрагме или сопле) от скорости

потока жидкости V

. Скорость потока жидкости при постоянном сечении

трубопровода определяет расход жидкости Q

. Таким образом, статическая

характеристика этого расходомера представляет собой зависимость

)pД(fQ

Для измерения разности давления

применяются приборы, называе-

мые дифференциальными манометрами (диф-манометрами). Рассмотрим

ме-мбранный дифманометр (рис. 6.12).

Рис. 6.11. Схема расходомера по

перепаду давления: 1

труба; 2

сужающее

устройство (диафрагма); 3

дифференциальный

манометр (ДМ); 4

вторичный прибор (ВП); P

и P

давление контролируемой среды до и

после

сужающего устройства

Измеряемая разность давлений Δp=(Р

– Р

) вызывает соответствую-

щий прогиб мембраны, вызывающий перемещение штока 3, связанного с

сердечником преобразователя 4. В зависимости от положения сердечника

на выходе преобразователя образуется сигнал U

вых

, передаваемый на вто-

ричный прибор дифференциально-трансформаторной системы типа КСД.

Эта система представляет собой диффе-

ренциальное соединение вторичных обмоток

дифференциально-трансформаторных преоб-

разователей.

Разбаланс во вторичных обмотках

усиливается и поступает на реверсивный

двигатель, который перемещает сердечник

преобразователя приемника до тех пор, пока

напряжение во вторичных обмотках датчика

и приемника не уравновесятся. Реверсивный

двигатель одновременно (как и в случае

автоматического моста и потенциометра)

перемещает показывающее и

регистрирующее устройство прибора КСД.

В последние годы все большее

распространение получают дифманометры

из серии тензорезисторных приборов типа

«Сапфир-22», «Сапфир -300».

Расходомеры постоянного перепада давления. Самым распростра-

ненным представителем этого типа расходомеров является ротаметр,

имеющий практически равномерную шкалу и позволяющий измерять не-

большие расходы, т.к. потери давления в них незначительны и не зависят

от величины расхода.

Проходящий через ротаметр снизу вверх поток жидкости или газа Q

поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель ме-

жду телом поплавка и стенками конусной трубы не достигнет величины,

при которой действующие на поплавок силы уравновесятся и он устано-

вится на той или иной высоте в зависимости от измеряемого расхода.

Расходомеры электромагнитные. Принцип действия их основан на

зависимости ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости

под действием внешнего магнитного поля, от скорости потока жидкости

VdBE

(6.12)

где В

магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; d

внут-

ренний диаметр трубопровода; V

средняя скорость потока.

Выражая скорость через объемный расход Q, получим

Рис.6.12. Схематическое уст-

ройство мембранного дифма-

нометра: 1

мембранная ко-

робка; 2

жесткий центр; 3

шток; 4

дифференциально-

трансформаторный (в частности)

преобразователь для дистанцион-

ной передачи показаний дат-

чика и приемника во вто-

ричном приборе

= . (6.13)

6.3.2.3.4. Измерение уровня

Измерение уровня жидкости часто

осуществляется с помощью поплавковых

ЧЭ, которые преобразуют изменение

уровня в перемещение и далее в

электрический сигнал (рис. 6.13) с

помощью потенциометрических или

различных индуктивных и др. датчиков

перемещения.

Значительные усилия, развиваемые

поплавковым ЧЭ, позволяют часто

объединить их с помощью рычага или

другой механической передачи с РО и

таким образом получить регулятор

прямого действия. Промышленными

регуляторами уровня прямого действия

являются сантехнический регулятор

уровня типа РУ-16, поплавковый

уровнемер УДУ-5.

Промышленными регуляторами

уровня прямого действия являются

сантехнический регулятор уровня типа

РУ-16, поплавковый уровнемер УДУ-5.

Класс точности поплавковых

уровнемеров 1

1,5.

Большое распространение получили также кондуктометрические

уровнемеры. Эти уровнемеры работают по принципу замыкания стержне-

вых электродов электропроводящей жидкостью и применяются при работе

с растворами кислот, щелочей, красителей и т.д. Промышленностью вы-

пускаются датчики типов ЭСУ-1, ЭСУ-2, ЭСУ-3 и др.

В качестве датчиков здесь могут применяться металлические или уголь-

ные (для агрессивных жидкостей) электроды, которые обычно включаются

в одно из плеч моста переменного тока, питание которого осуществляется

от стабилизированного по частоте высокочастотного генератора.

6.3.2.3.5. Измерение влажности газов и твердых материалов

Рис. 6.13. Схема измерения

уровня жидкости с помощью

поплавкового ЧЭ: 1

емкость с

жидкостью; 2

поплавковый

чувствительный элемент; 3

РО

на линии притока жидкости (Q

); h

уровень жидкости; Q

расход

жидкости из емкости; 4

дифференциально-трансформатор-

ный преобразователь для

дистанционной передачи

сигнала об уровне

жидк

сти

Психрометрический метод измерения влажности газов основан на

кондуктометрическом методе измерения сопротивления металлических

термометров сопротивления.

Кондуктометрический метод измерения влажности материалов ос-

нован на том, что используемые в легкой промышленности материалы

представляют собой капиллярно-пористые тела, в которых находится

влага. В сухом виде эти материалы являются диэлектриками с удельным

объемным сопротивлением

= 10

Ом·см и выше. В результате увлажне-

ния капиллярно-пористые тела становятся проводниками, при этом их

электрическое сопротивление резко снижается до

Ом·см, R

от

влажности материалов выражается зависимостью R

= А /

, где А

посто-

янная для исследуемого материала;

влажность материала, % массы су-

хого материала; п

показатель степени, зависящий от природы и струк-

туры исследуемого материала.

6.3.2.3.6. Измерение кислотности

(щелочности) растворов

Составы воды и растворов,

используемых в производственных

условиях для влажно-тепловой

обработки материалов и изделий, часто

оценивают таким универсальным

показателем, как водородный

показатель рН.

Установлено, что в интервале

температур 20

25 °С ионное произве-

дение воды К

Н2О

= 1·10

-14

, что позволяет

для любого водного раствора найти

концентрацию ионов [ОН] при

известной концентрации [Н] и наоборот

как

[]

1414 --

(6.14)

В любом нейтральном растворе и в воде концентрации ионов [Н] и

[ОН] одинаковы и равны 10

-7

г·ион/л. Если [Н]<[ОН]<10

-7

г·ион/л, то

раствор имеет щелочную реакцию. Для оценки концентрации водородных

ионов введен показатель, представляющий значение отрицательного деся-

Рис.6.14. Схема автоматического

pH-метра: 1

емкость с раствором; 2

электродная пара, состоящая из

измерительного стеклянного

электрода (ЭС) и вспомогательного

каломельного электрода (ЭК); Пр

преобразователь ЭДС электродной

пары; ВП

вто

ричный прибор

(автоматический

потенциометр)

тичного логарифма концентрации водородных ионов, который называется

водородным показателем рН.

Для нейтральной среды

рН=-lq[10

-7

]=7. (6.15)

Распространены два основных метода измерения рН: кондуктометри-

ческий и гальванометрический. Кондуктометрический метод основанна

определении электропроводности раствора сильных кислот и щелочей со

значительным содержанием солей. Гальванометрический

(потенциометрический) метод является основным для технических

измерений и использует два электрода, один из которых измерительный,

потенциал которого меняется в зависимости от концентрации ионов в

контролируемом растворе, а другой

сравнительный, потенциал которого

от свойств контролируемого раствора не зависит.

Упрощенная схема автоматического рН-метра (например, преобразо-

вателя рН-261) со вторичным прибором (автоматическим электронным по-

тенциометром) показана на рис. 6.14. Измеряемая ЭДС электродной пары

практически полностью уравновешивается выходным напряжением усили-

теля преобразователя Пр. Такой метод уравновешивания называется мето-

дом статической компенсации, т.к. при его использовании отпадает необ-

ходимость в применении подвижных элементов (реверсивного двигателя и

реохорда). Сила тока в цепи выходного усилителя преобразователя (Пр),

пропорциональная величине рН контролируемого раствора, показывается

на приборе преобразователя, шкала которого градуирована в единицах рН.

Показания преобразователя могут передаваться на вторичный прибор, ко-

торый не только показывает, регистрирует значение рН, но и может регу-

лировать

6.4. Автоматические системы регулирования

технологических параметров

Цель автоматического регулирования, являющегося частным случаем

автоматического управления, состоит в обеспечении заданного алгоритма

функционирования

закона изменения некоторого технологического па-

раметра (регулируемой величины). В частном случае регулируемую ве-

личину требуется поддерживать на заданном постоянном уровне. На-

пример, для обеспечения нормальной работы оборудования для влажно-

тепловой обработки строительных изделий необходимо поддерживать

соответствующую температуру для поддержания соответствующей вяз-

кости (подвижности) смесей, например бетонных, и регулировать влаж-

ность заполнителей смеси, изделий и конструкций из бетона.