Фёдоров А.Ф., Кузьменко Е.А. Системы управления химико-технологическими процессами: учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

Рис. 3.2. Принципиальная схема дистанционной передачи

с ферродинамическими преобразователями

При питании обмотки возбуждения

2 переменным током в магни-

топроводе

1 возбуждается магнитный поток, индуктирующий в рамке 3

ЭДС, пропорциональную углу поворота рамки. Рамка

3 соединена с вы-

ходным элементом первичного преобразователя, поэтому для каждого

значения измеряемого параметра в рамке будет индуктироваться опре-

деленная ЭДС

E . Рамка 6 связана с выходным валом реверсивного

двигателя РД. Если рамки

3 и 6 находятся в одинаковом положении, то

в них индуктируются одинаковые ЭДС и

−

. Система на-

ходится в равновесии. При изменении параметра П рамка

3 повернется

на угол

ϕ и изменится величина индуктированной ЭДС

E , что приве-

дет к появлению разности ЭДС 0

≠

на входе в электронный усили-

тель. Этот сигнал усиливается до значения, необходимого для управле-

ния реверсивным двигателем РД. Выходной вал реверсивного двигателя

повернет рамку

6 до состояния равновесия 0

. Одновременно пе-

ремещается стрелка вторичного прибора, шкала которого отградуиро-

вана в единицах измерения параметра П.

Для передачи сигналов первичных преобразователей в виде не-

скольких оборотов выходного элемента используются

сельсинные пе-

редачи

(рис. 3.3).

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

Рис. 3.3. Схема сельсинной системы передачи информации

Система передачи имеет два сельсина, представляющие собой

трехфазные электрические микромашины. Ротор сельсина

1 связан

с выходным элементом первичного преобразователя. Обмотка возбуж-

дения питается переменным напряжением, поэтому в обмотках синхро-

низации магнитный поток будет индуктировать переменные ЭДС:

max

cos

;

max



120cos( +α );

max



240cos( +α

), (3.1)

где

max

E – наибольшее действующее значение ЭДС;

– угол поворота

ротора сельсина.

Если обмотки синхронизации сельсинов

1 и 2 расположены одина-

ково относительно осей обмоток возбуждения α = β, то в фазах обмоток

синхронизации обоих сельсинов будут индуктироваться одинаковые

ЭДС, уравновешивающие друг друга. При этом синхронизирующий

момент равен нулю. При изменении параметра П ротор сельсина

1 по-

вернется на угол ϕ от согласованного положения и нарушится равнове-

сие ЭДС обмоток синхронизации. В результате между одноименными

зажимами обмоток возникают ЭДС, равные разностям ЭДС соответст-

вующих фаз сельсина-датчика

1 и сельсина-приемника 2. По обмоткам

синхронизации проходят токи, которые создают в каждом сельсине

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

синхронизирующий момент М, пропор-

циональный синусу угла ϕ:

ϕ= sin

max

MM ,

(3.2)

где

max

M – наибольший синхронизи-

рующий момент при ϕ = 90°.

Синхронизирующий момент пово-

рачивает обмотку сельсина-приемника, связанного с отсчетным устрой-

ством ОУ, до состояния равновесия β = α.

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

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

ном-приемником и сельсином-датчиком – до 2–3 км.

Кроме указанных выше, используются

электрические системы пе-

редачи измерительной инфо

рмации с выходным унифицированным то-

ковым сигналом, оснащенные преобразователями «сила – ток» или «пе-

ремещение – ток», электрические системы передачи измерительной ин-

формации с выходным унифицированным частотным сигналом [7, 8, 14].

3.2. Пневматические системы передачи информации

Пневматические системы передачи измерительной информации

используются для передачи показаний измерительных приборов и пре-

образователей в тех случаях, когда использование электрических сис-

тем по условиям техники безопасности не допускается.

Основным элементом пневматической системы является управ-

ляемое пневмосопротивление типа «сопло-заслонка», преобразующее

сигнал типа «перемещение» в пневматический сигнал (рис. 3.4).

Преобразователь типа «сопло – заслонка

» со

стоит из сопла 1 и за-

слонки

2. В камеру 3 через дроссель постоянного сопротивления 4 по-

дается сжатый воздух под давлением

P 140 кПа. При перемещении

заслонки изменяется пневматическое сопротивление управляемого со-

противления и давление

Р в камере 3, измеряемое манометром 5. Зави-

симость давления

Р от положения заслонки l относительно сопла

однозначная, нелинейная, обратная (рис. 3.5). Для линеаризации этой

зависимости используется жесткая обратная связь (см. рис. 3.6).

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

Первичный преобразователь

ПП преобразует измеряемую ве-

личину П в усилие

F, которое че-

рез тягу

1 передается к левому

плечу рычага

2 и образует мо-

мент вращения

FlM

= , пово-

рачивающий рычаг

3 по часовой

стрелке. Заслонка

4 приближает-

ся к соплу

5. Сопротивление вы-

ходу воздуха увеличивается, и

возрастает давление

P в камере

сопла. Это давление усиливается

по мощности усилителем

и поступает в сильфон обратной

связи

7 и на выход. Выходное

давление

вых

P будет увеличи-

ваться до тех пор, пока момент силы, развиваемый сильфоном

ос22

FlM = ,

где

выхэфос

PSF = , не станет равным сумме моментов

М и

М :

3прпр3пр3

lllFM

, (3.3)

где

пр

δ – жесткость пружины 8 корректора нуля;

пр

l – величина растя-

жения пружины корректора нуля.

Рис. 3.6. Типовая схема пневматического преобразователя

силовой компенсации

Запишем уравнение равновесия преобразователя

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

M –

M +

M = 0

(3.4)

и подставим в него выражения мо-

ментов сил:

3прпр2выхэф1

δ+

−

lllPSFl .

(3.5)

Отсюда находим

2эф

3прпр

2эф

вых

(3.6)

Так как диапазон изменения унифицированного пневматического

сигнала 20

÷100 кПа, то при F = 0 выходное давление

вых,0

P должно

быть равным 20 кПа. В результате зависимость (3.6) может быть пред-

ставлена в виде

вых

kFP . (3.7)

Таким образом, пневматический преобразователь имеет линейную

зависимость выходного давления от приложенной силы (см. рис. 3.7).

Начальное давление 20 кПа устанавливается корректором

8 начала

шкалы при

F = 0 путем изменения степени натяжения пружины.

Выходное давление измеряется вторичными приборами, принцип

действия которых основан на компенсации измеряемого давления из-

вестным усилием (рис. 3.8).

Измеряемое давление

вх

подается внутрь сильфона 1, преобра-

зующего давление в силу

F, под действием которой развивается вра-

щающий момент

M =

lF. Рычаг 2 начинает поворачиваться и заслон-

ка

3 приближается к соплу 4. Это приводит к повышению давления в

силовом преобразователе

5. Чашеобразная мембрана преобразователя

поворачивает рычаг

6, свободный конец которого тянет нить 7, растяги-

вающую пружину

8. В результате упругой деформации пружины на

рычаге

2 развивается момент силы

2пр2

llM

, уравновешивающий

действие момента

M . В состоянии равновесия

M =

M и

1вхэф2пр

lPSll

, (3.8)

где

пр

δ – жесткость пружины 8; Δl – деформация пружины 8;

эф

S – эф-

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

фективная поверхность сильфона 1.

Рис. 3.8. Схема вторичного измерительного прибора

Преобразуем равенство (3.8):

вх

2пр

1эф

=Δ

, (3.9)

или

вх

kPl

. (3.10)

Таким образом, величина деформации пружины

8 пропорциональна

измеряемому давлению

вх

, поэтому стрелка прибора 9 крепится к ни-

ти

7, и перемещение стрелки относительно шкалы также будет пропорцио-

нально измеряемому давлению. Класс точности преобразователя – 1,0.

Пневматические преобразователи обеспечивают передачу выход-

ного сигнала по пневматической линии связи до 300 м. При превыше-

нии этого расстояния пневмопровод будет вносить значительные иска-

жения в передаваемый сигнал (9.14).

3.3. Пневмоэлектрические преобразователи

Пневмоэлектрические преобразователи предназначены для преоб-

разования унифицированного пневматического сигнала в унифициро-

ванный сигнал постоянного тока. Наибольшее распространение полу-

чили преобразователи (ПЭП), работающие на принципе компенсации

моментов сил (рис. 3.9).

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

Рис. 3.9. Принципиальная схема пневмоэлектрического преобразователя

Входное давление

вх

P поступает в одновитковую трубчатую пру-

жину

1. В результате свободный конец пружины перемещается вверх на

величину

вх1

Pkl =Δ и растягивает пружину 2. Возникающая при этом

сила упругой деформации

пр

передается на рычаг 3 и образует

момент вращения

M = F

l , стремящийся повернуть рычаг вокруг точ-

ки O. При повороте рычага флажок

4 приближается к плоской катуш-

ке

5, что приводит к увеличению ее индуктивного сопротивления, кото-

рое устройством

6 преобразуется в сигнал постоянного тока

вых

I . Ток

вых

I поступает на выход преобразователя и в катушку 7 электросило-

вого преобразователя

В результате взаимодействия электромагнитного поля катушки

с магнитным полем постоянного магнита на катушку

7 действует сила

вых2ос

IkF = . Эта сила передается на рычаг 3 и создает момент враще-

ния

2ос2

lFM =

, компенсирующий действие момента

. В состоянии

равновесия

M =

M . Тогда

вхпр12вых2

PklIk

. (3.11)

Отсюда

вх

пр1

вых

= , (3.12)

или

вхвых

kPI

, (3.13)

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

где

пр1

– коэффициент

преобразования преобразователя.

Таким образом, зависимость

между выходным токовым сигна-

лом и входным давлением имеет

линейный характер (рис. 3.10).

Класс точности преобразовате-

ля – 1,0.

3.4. Электропневматические преобразователи

Электропневматические преобразователи предназначены для пре-

образования унифицированного сигнала постоянного тока в унифици-

рованный пневматический сигнал. Широкое распространение получили

электропневматические преобразователи (ЭПП), действие которых ос-

новано на принципе компенсации усилий (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Принципиальная схема

электропневматического преобразователя

Входной унифицированный сигнал постоянного тока I поступает

на катушку

1 магнитоэлектрического преобразователя. В результате

взаимодействия электромагнитного поля катушки с магнитным полем

постоянного магнита создается усилие

F =

, развивающее момент

вращения

M = F

l , под действием которого рычаг 2 поворачивается.

Заслонка

3 приближается к соплу 4, что приводит к повышению давле-

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

ния

вых

P на выходе усилителя мощности 5, которое также поступает

в сильфон обратной связи

6 и создает усилие

выхэфос

PSF

. Это усилие

развивает компенсирующий момент вращения

2ос2

lFM

. В состоянии

равновесия справедливо равенство

M –

M +

M = 0, (3.14)

где

3пр3

llM Δδ=

– момент вращения, развиваемый пружиной 7.

Из равенства (3.14) следует, что 0

3пр2выхэф11

=Δδ

−

lllPSIlk и

2эф

3пр

2эф

вых

+= kI

. (3.15)

Таким образом, между унифи-

цированным пневматическим сигна-

лом и унифицированным сигналом

постоянного тока имеет место ли-

нейная зависимость (рис. 3.12).

Классы точности преобразователей –

1,0 и 1,5.

Установка начального давления

(

вых

P = 20 кПа) производится с по-

мощью пружины

3.5. Построение измерительных комплектов температуры

Измерительные комплекты могут создаваться с целью получения

информации различного назначения: для зрительного восприятия опе-

ратором; для записи на дисковой или ленточной диаграмме; для ввода

в регуляторы, вычислительные, сигнализирующие и другие устройства.

При этом обязательно учитываются пожаро- и взрывоопасные условия

производства.

Для контроля и управления пожаро- и взрывобезопасными произ-

водствами обычно используются

приборы элек

трической ветви

(см. рис. 2.5, 2.11, 2.15, 2.22, 2.25). В случае формирования информаци-

онного сигнала для управления технологическим процессом токовый

унифицированный сигнал обычно подается на вход автоматического

регулятора.

Для контроля и управления пожаро- и взрывоопасными производст-

Федоров А.Ф.,Кузьменко Е.А.«Системы управления

химико-технологическими процессами»,

пособие, 2009 г

вами обычно используются пневматические устройства (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Измерительные комплекты для измерения температуры

во взрывоопасных производствах

Промышленностью выпускаются измерительные преобразователи

температуры, например типа 13ТД73, которые преобразуют измеряе-

мую температуру в унифицированный пневматический сигнал

(см. рис. 3.13,

a), измеряемый вторичным измерительным прибором

ПВ, расположенным на щите контроля. Если в качестве первичных

преобразователей температуры ПП используются термоэлектрические

преобразователи или термометры сопротивления (см. рис. 3.13,

б), то

соответствующий выходной сигнал последовательно проходит норми-

рующий преобразователь НП, пневматический преобразователь ПнП и

поступает на вход вторичного измерительного прибора ПВ, позволяю-

щего проводить визуальные наблюдения за изменением температуры и

регистрировать на ленточной диаграмме. Для формирования системы

автоматического регулирования прибор вторичный должен иметь стан-

цию управления и пневматический разъем, предназначенный

для под-

ключения устройства регулирующего (Комплек

с «СТАРТ»).