Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

131

если диапазон изменения выходного сигнала 0—5 мА, или

minmax

min

ПП

вых

−

(5.21)

если диапазон изменения выходного сигнала 0—20 мА.

В тех случаях, когда возникает необходимость изменения диапазона

измерений в больших пределах, применяют ПИП с преобразователем «сила —

ток», представленным на рис. 5.7.

Перемещением ножевой опоры 4 можно изменять диапазон измерений в

широких пределах. Назначение остальных элементов преобразователя «сила —

ток» аналогично назначению соответствующим элементам преобразователя,

представленного на рис. 5.6.

Кроме рассмотренных ПИП с линейной статической характеристикой

разработаны преобразователи с квадратичной корневой статической

характеристикой. Отличительной чертой преобразователей этого типа является

использование электромагнитного преобразовательного элемента в качестве

элемента обратной связи. Развиваемое им усилие обратной связи R

связано с

током /вых соотношением

выхосос

IkR =

(5.22)

где k

ос

— коэффициент преобразования

электромагнитного преобразовательного

элемента.

Преобразователи с квадратичной

корневой статической характеристикой

находят применение в тех случаях, когда

необходима передача измерительной

информации о расходе, измеряемом методом

переменного перепада давления.

При эксплуатации системы передачи с

унифицированным токовым сигналом

важным является соответствие суммарного

сопротивления внешней нагрузки

нормированному значению. Суммарное

сопротивление внешней нагрузки не должно

превышать 2,5 кОм при токе 5 мА и 1 кОм при токе 20 мА. Дальность передачи

информации при токе 0—5 мА равна 5 км, а при токе 0—20 мА—20 км.

132

Первичные измерительные преобразователи, оснащенные преоб-

разователями «перемещение — ток». Система передачи измерительной

информации на базе ПИП с преобразователем «перемещение — ток»

представлена на рис. 5.8 [6].

Основными узлами ПИП являются чувствительный элемент // и

преобразователь «перемещение — ток» ///.

Рис. 5.8. Схема электрической системы передачи измерительной инфор-

мации с преобразователем «перемещение — ток»

Чувствительный элемент // преобразует измеряемый технологический

параметр П в линейное перемещение магнитного сердечника /, изготовленного

в виде постоянного магнита цилиндрической формы.

Преобразователь /// осуществляет преобразование перемещения

постоянного магнита / в электрический сигнал. Для преобразования

используется магнитная система из внешних магнитопроводов 5 и 6 (рис 5.9) и

индикаторов магнитных потоков (магнитопроводов специальной формы) 2 и 9,

каждый из которых содержит обмотку возбуждения W

и обмотку обратной

связи W

. Обмотки возбуждения с последовательно включенными диодами Д

и Д

образуют плечи неравновесного моста. Два других плеча образуют

резисторы R

и R

, шунтированные фильтрующим конденсатором С.

Измерительная диагональ аб моста подключена к усилителю 7, выход которого

соединяется через канал связи с приемником информации IV и через элемент

обратной связи 8 с обмотками обратной связи W

ос

133

Питание мостовой схемы осуществляется напряжением в виде

прямоугольных импульсов частотой 50 Гц.

При нейтральном положении магнитного сердечника / (рис. 5.9, а)

ответвляемые магнитные потоки Ф

и Ф

в магнитопроводы индикаторов

магнитных потоков 2 и 9 равны по величине и противоположны по

направлению.

Рис. 5.9, Распределение магнитных потоков в магнитном преобразовательном

элементе

Так как магнитные потоки Ф

и Ф

равны, то результирующий магнитный

поток Ф

равен нулю.

При смещении сердечника от среднего положения (рис. 5.9, б) возникает

результирующий магнитный поток Ф

, направление которого определяется

направлением перемещения сердечника и его полярностью. Если сердечник /

находится в нейтральном положении, то в магнитопроводах индикаторов

магнитных потоков 2 и 9 (см. рис. 5.8) присутствуют только магнитные потоки

В1

и Ф

В2

. Эти магнитные потоки обусловливают одновременное насыщение

магнитопроводов индикаторов 2 и 9, что отражается на значениях

индуктивности и полного сопротивления обмоток W

В1

и W

В2

. В результате в

любой момент времени I

и мост находится в равновесии. При изменении

положения сердечника в магнитопроводах индикаторов 2 и 9 появляются

магнитные потоки Ф

, которые с магнитными потоками Ф

1 и Ф

В2

создают

результирующие магнитные потоки:

=Ф

+ Ф

В1

= Ф

-Ф

В2

Под влиянием магнитного потока

Ф насыщение магнитопро-вода

индикатора магнитного потока 2 наступает раньше, чем насыщение

магнитопровода индикатора магнитного потока 9 потоком

. Вследствие

этого ток 1\, протекающий по обмотке W

, резко возрастает, что

сопровождается нарушением равновесия мостовой схемы.

Усилитель формирует на выходе сигнал постоянного тока I

вых

пропорциональный разбалансу мостовой схемы. Сигнал поступает в канал

связи и через устройство обратной связи 8 — в обмотку обратной связи W

ос

134

При прохождении тока I

ос

по обмоткам W

формируются магнитные

потоки Ф

ос

которые направлены навстречу магнитным потокам Ф

обеспечивают их компенсацию.

В результате компенсирующего воздействия магнитного потока Ф

ос

на

магнитный поток Ф

равновесие мостовой схемы восстанавливается и для

любого момента времени I

≈ I

Статическая характеристика преобразователя определяется видом

зависимости I

ос

=f(I

вых

). Для преобразователей с линейной характеристикой

устройство обратной связи представляет собой активное сопротивление, а для

преобразователей с квадратичной корневой характеристикой устройство

обратной связи выполнено в виде квадраторов. Настройка ПИП на заданный

диапазон измерений осуществляется изменением параметров устройства обрат-

ной связи, а настройка нулевого сигнала — с помощью винта 4, пе-

ремещающего шунт 3. Суммарное сопротивление внешней нагрузки R

вн

не

должно превышать 2,5 кОм. Классы точности преобразователей с

унифицированным токовым сигналом: 0,6; 1,0; 1,5.

§ 5.4. Электрическая система передачи измерительной информации с

унифицированным частотным сигналом

Системы передачи измерительной информации с унифицированным

частотным сигналом реализуются на базе ПИП, осуществляющих

преобразование измеряемого технологического параметра в унифицированный

частотный сигнал.

Преобразование происходит по схеме параметр → сила→частота.

Рис. 5.10. Схема электрической системы передачи измерительной информации

с преобразователем «сила — частота»

135

На рис. 5.10 приведена электрическая система передачи измерительной

информации с унифицированным частотным сигналом. ПИП I включает

чувствительный элемент II, посредством которого измеряемый параметр П

преобразуется в усилие R

, и преобразователь «сила — частота» III,

осуществляющий преобразование усилия R

в унифицированный частотный

сигнал.

Преобразователь «сила —частота» реализуется на базе струнного

генератора, представляющего собой мостовую схему, образованную

резисторами R

, R

и R

и струной 3 сопротивлением R

. Измерительная

диагональ моста включена на вход электронного усилителя, выход которого

подключен к диагонали питания моста. Струна расположена между полюсами

постоянного магнита 4. Нижний конец струны жестко закреплен на

неподвижном основании, а верхний — на подвижном рычаге 2.

При протекании по струне переменного тока струна начинает колебаться

и в ней индуцируется ЭДС, приближающаяся по форме к синусоидальной. В

соответствии с физическими процессами, протекающими в струне, при ее

колебаниях в магнитном поле предложена [5] схема замещения, имеющая вид

колебательного контура (рис. 5.11).

Параметры колебательного контура связаны с параметрами струны

следующими соотношениями:

SlB

ρυ4

R =

(5.23)

где L — эквивалентная индуктивность; В — индукция в зазоре постоянного

магнита; l— длина струны; S— площадь поперечного сечения струны; F —

усилие; С — эквивалентная емкость; ρ — плотность материала струны; υ —

коэффициент трения о воздух; R — динамическое сопротивление

колеблющейся струны.

Сопротивление r в схеме замещения представляет собой активное

сопротивление струны, когда она неподвижна. При колебаниях струны

мостовая схема, содержащая чисто активные сопротивления, превращается в

мост с частотно-зависимыми элементами. Известно, что частота генератора с

самовозбуждением определяется собственной частотой f колебательного

контура, которая связана с индуктивностью L и емкостью С контура

зависимостью

π2

Для рассматриваемого генератора собственная частота колебаний /

определяется выражением

ρSl

5.0=

(5.24)

136

Как следует из уравнения (5.24), собственная частота колебании

генератора определяется собственной частотой колебаний струны и зависит от

усилия натяжения. Рассмотренный генератор работает в диапазоне частот 10

Гц.. Ток, пропускаемый через струну, не превышает 100 мкА. Длина струны

составляет 20—50 мм а диаметр — сотые доли миллиметра. Преобразование

измеряемого параметра П в частотный сигнал осуществляется следующим об-

разом. Чувствительный элемент преобразует параметр П в пропорциональное

усилие R

, воспринимаемое рычагом 2, а вместе с ним и струной 3. Изменение

натяжения струны приводит к изменению собственной частоты колебаний

генератора, что отражается на его выходном сигнале в виде частоты

переменного тока Настройка преобразователя на заданный диапазон измерений

осуществляется перемещением точки опоры О рычага 2. Начальное значение

выходного сигнала устанавливается корректором нулевого сигнала 1.

Как видно из уравнения (5.24), статическая характеристика пре-

образователя нелинейна. С целью линеаризации статической характеристики в

некоторых модификациях преобразователя применяют квадраторы. Выходной

сигнал ПИП с линейной статической характеристикой можно рассчитать по

формуле

ПП

ff ∆

−

minmax

min

(5.25)

где f

—начальная частота; П

max

, П

min

— соответственно верхнее и нижнее

значения диапазона измерений; Δf — диапазон изменения частоты.

Приемниками измерительной информации, поступающей от ПИП с

унифицированным частотным сигналом, могут быть цифровые приборы,

управляющие и вычислительные машины. Классы точности ПНП с частотным

унифицированным сигналом 0,5 и 1,0. Дальность передачи информации до 10

км.

§ 5.5. Дифференциально-трансформаторная система передачи

измерительной информации

Дифференциально-трансформаторная система передачи (рис 5 12)

состоит из ПИП I и приемника информации IV, в качестве которого

используется вторичный прибор дифференциально-трансформаторного типа.

ПИП содержит чувствительный элемент II, осуществляющий преобразование

измеряемого параметра Я в перемещение жестко связанного с ним сердечника

1, и унифицированный Д1-преобразовательный элемент III, с помощью

которого перемещение сердечника 1 преобразуется в напряжение переменного

тока. Вторичный прибор дифференциально-трансформаторного типа IV

содержит компенсирующий ДТ-преобразовательный элемент с корректором

нуля 2, кулачок 5, кнопку 3 для контроля исправности измерительного прибора,

указатель 6, шкалу 7, реверсивный двигатель 8

137

и усилитель 9. Компенсирующий ДТ-преобразовательный элемент отличается

от передающего тем, что содержит корректор нуля. Последний представляет

собой дополнительную обмотку (ДО) с подключенным к ней регулируемым

резистором R

. Дополнительная обмотка (ДО) состоит из двух секций, которые

разме-

Рис. 5.12. Схема дифференциально-трансформаторной системы передачи изме-

рительной информации

щаются в средней части ДТ-преобразовательного элемента и нама-

тываются поверх его вторичной обмотки.

Первичные обмотки компенсирующего и передающего ДТ-пре-

образовательных элементов включены последовательно и питаются

напряжением переменного тока промышленной частоты от специальной

обмотки силового трансформатора усилителя 9.

Вторичные обмотки ДТ-преобразовательных элементов включены по

компенсационной схеме, в которой на вход усилителя поступает сигнал

21 выхвых

UUU −=∆

(5.26)

где U

вых1

вых2

— выходные сигналы передающего и компенсирующего ДТ-

преобразовательных элементов.

При нулевом значении преобразуемого параметра П сердечники 1 и 4

находятся в средних положениях, в которых U

вых1

= U

вых2

. При этом на вход

усилителя поступает сигнал ΔU = 0, обеспечивающий нахождение указателя 6

на начальной отметке шкалы 7. Отклонение параметра Я от нулевого значения

вызывает деформацию чувствительного элемента II, сопровождаемую

перемещением сердечника из среднего положения.

На выходе передающего ДТ-преобразовательного элемента формируется

сигнал U

вых1

отличный от сигнала U

вых2

, который формируется

138

в это же время компенсирующим ДТ-преобразователь-ным элементом. В

результате на входе усилителя появляется сигнал ΔU, отличный от нуля. Этот

сигнал усиливается до значения, достаточного для приведения в движение

ротора реверсивного двигателя. Ротор поворачивает кулачок 5 и перемещает

сердечник компенсирующего ДТ-преобразовательного элемента. Движение ро-

тора происходит до тех пор, пока сердечник не займет такое положение, при

котором U

вых2

станет равным U

вых1

В этот момент сигнал А [7=0 и движение

ротора прекращается. О значении измеряемого параметра судят по положению

указателя 6, кинематически связанного с ротором реверсивного двигателя, на

шкале 7. Для контроля исправности измерительного прибора используется

кнопка 3, при нажатии которой закорачиваются выходы передающего ДТ-

преобразсвательного элемента, и на вход усилителя поступает сигнал только с

компенсирующего ДТ-преобразовательного элемента. Если прибор исправен,

то указатель должен переместиться на контрольную отметку шкалы. В

настоящее время измерительные приборы ДТ-типа выпускаются с кулачками,

имеющими профиль, описываемый линейной или квадратичной зависимостью

)(

∆

(5.27)

где ΔL — перемещение сердечника;

— угол поворота кулачка.

Кулачками с квадратичной характеристикой оснащаются измерительные

приборы, предназначенные для измерения расхода на основе принципа

переменного перепада давления на сужающем устройстве. В этих же приборах

используются интегрирующие устройства. Классы точности вторичных

приборов дифференциально-трансформаторного типа 1,0, а ПИП, оснащенных

преобразователями «перемещение — электрический сигнал» ДТ-типа,—1,0;

1,5; 2,5. Расстояние между ПИП и приемником информации примерно 250 м.

Достоинствами рассмотренной системы передачи являются простота,

надежность и незначительные дополнительные погрешности, обусловленные

изменениями напряжения питания первичных обмоток ДТ-преобразовательных

элементов и активного сопротивления линий связи, если оно не превышает 5

Ом (соответствует длине линии связи 250 м).

§ 5.6. Сельсинная система передачи измерительной информации

Для передачи на расстояние больших угловых перемещений применяют

сельсинные системы, в которых преобразование угловых перемещений в сигнал

измерительной информации осуществляется сельсинами.

Сельсины представляют собой электрические микромашины переменного

тока. Работа сельсинов основана на преобразовании углового перемещения в

изменение индуктивной связи между обмотками возбуждения и

синхронизации.

139

На рис. 5.13 приведена схема сельсинной системы передачи. Система

состоит из ПИП I и приемника информации VI. ПИП содержит чувствительный

элемент II, кинематически связанный с ротором сельсина ///, называемого

сельсином-датчиком. Приемник информации VI представляет собой сельсин,

называемый сельсином-приемником, ротор которого кинематически связан с

отсчетным устройством IV.

Обмотки возбуждения ОВ1 и ОВ2 сельсинов подключаются к сети

однофазного напряжения, а одноименные обмотки синхрони-

Рис. 5.13. Схема сельсинной системы передачи измерительной информации

зации 1—3 соединены между собой проводами канала связи. Такая схема

соединения сельсинов называется индикаторной. При протекании тока по

обмотке возбуждения возникает пульсирующий магнитный поток, который

индуцирует в каждой фазе обмотки синхронизации переменные ЭДС:

αcos

max1

EE =

(5.28)

)120cos(

max2

−= αEE

(5.29)

)120cos(

max3

+= αEE

(5.30)

где E

тах

— наибольшее действующее значение ЭДС фазы обмотки, когда ее ось

совпадает с осью магнитного потока возбуждения; a — угол поворота ротора.

Если оси одноименных обмоток синхронизации 1—3 сельсинов

расположены одинаково относительно осей обмоток возбуждения, то в фазах

обмоток синхронизации сельсинов индуцируются одинаковые ЭДС,

140

уравновешивающие друг друга. В результате токи в обмотках и линиях связи

равны нулю. Этому состоянию равновесия соответствует согласованное

положение сельсинов.

Отклонение измеряемого параметра Я от исходного значения

преобразуется чувствительным элементом в угловое перемещение ротора

сельсина-датчика. Новое положение сельсина-датчика определяется углом β≠α.

В этом состоянии равновесие ЭДС обмоток синхронизации нарушается и

между одноименными зажимами обмоток возникают ЭДС, равные разностям

ЭДС соответствующих фаз сельсина-датчика и сельсина-приемника. По

обмоткам синхронизации проходят токи, которые, взаимодействуя с магнитным

полем обмоток возбуждения, создают в каждом сельсине синхронизирующий

момент М, пропорциональный синусу угла рассогласования:

ϕsin

max

MM =

(5.31)

где M

max

— наибольший синхронизирующий момент при φ = 90°; φ=β–α — угол

рассогласования.

Так как положение ротора сельсина-датчика фиксировано, то

синхронизирующий момент поворачивает ротор сельсина-приемника до

согласования с ротором сельсина-датчика. В состоянии равновесия ротор

сельсина-приемника останавливается. О значении измеряемого параметра судят

по отсчетному устройству IV, с которым связан ротор сельсина-приемника.

Абсолютная погрешность сельсинов-датчиков ±(0,25; 0,5; 1,0) град,

сельсинов-приемников ±(0,75; 1,5; 2,5) град. Расстояние между сельсином-

датчиком и сельсином-приемником до 2—3 км.

§ 5.7. Пневмоэлектрические и электропневматические

преобразователи

В большинстве современных систем автоматического управления

производственными процессами используются средства измерений с

различными выходными и входными сигналами, например пневматическими,

электрическими, гидравлическими и др. Для обмена информацией в подобных

системах широко применяются преобразователи пневматических сигналов в

электрические (ПЭП) и электрических сигналов в пневматические (ЭПП).

Пневмоэлектрические преобразователи — измерительные преоб-

разователи, предназначенные для преобразования непрерывного уни-

фицированного пневматического сигнала в непрерывный унифицированный

сигнал постоянного тока. Известно большое число различных по принципу

действия ПЭП. Наиболее широкое применение в измерительных системах

получил ПЭП (рис. 5.14, а), работающий по принципу компенсации моментов

сил. Преобразуемый пневматический сигнал Рвх поступает в одновитковую

трубчатую пружину 1, которая под действием давления, например при его

увеличении, несколько раскручивается. Ее свободный конец перемещается