Сизых В.А. Судовая автоматика и аппаратура контроля

Подождите немного. Документ загружается.

Благодаря высокой чувствительности, простоте хране-

ния и обработки измерительной информации и

особенно

возможности дистанционного

измерения

на речных су-

дах широкое применение получили электрические сред-

ства измерения, в том числе и неэлектрических величин.

Измерение одной и той же неэлектрической величины

при этом может производиться с помощью устройств

различного принципа действия. Предпочтение отдается

устройствам простым по конструкции, надежным в

работе и имеющим сравнительно небольшие габа-

риты.

Первое в измерительной цепи

устройство,

с помо-

щью которого воздействующая на элемент измерения

физическая величина преобразуется в некоторую дру-

гую величину, удобную для последующего использова-

ния в измерительных или

управляющих

системах

(на-

пример,

мембрана

измерителях

давления), называют

первичным

измерительным

преобразователем или чув-

ствительным элементом.

В состав

измерительных

приборов могут быть вклю-

чены также промежуточные преобразователи, занима-

ющие в измерительной цепи следующее место после

первичных; преобразователи, предназначенные для

дистанционной передачи измерительной информации, а

также масштабные преобразователи, увеличивающие

измеряемые

значения величин в заданное число раз.

3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Классификация. Приборы для измерения атмосфер-

ного давления называют барометрами, для измерения

избыточного давления —

манометрами

и для измере-

ния разрежения (вакуума) — вакуумметрами.

По принципу действия различают следующие прибо-

ры для измерения давления:

жидкостные,

измеряющие

давление с помощью уравновешивающего столба жид-

кости, заливаемой в прибор; деформационные (механи-

ческие), в которых используется зависимость дефор-

мации трубчатой пружины, мембраны или сильфона от

действующего на них давления; электрические, осно-

ванные на изменении характеристик электрического то-

ка (сопротивления, индуктивности, емкости) в цепи

контроля

в зависимости от положения мембраны или

сильфона, находящихся под давлением контролируемой

среды.

Жидкостные манометры. В

системах

индикации

(из-

мерения) и контроля параметров работы СЭУ исполь-

зуют

Ц-образные

и чашечные жидкостные манометры.

Первые представляют собой

О-образную

стеклянную

трубку 2 (рис.

а), укрепленную вертикально на дос-

ке со шкалой 1. Трубку обычно заполняют ртутью или

подкрашенной водой. При давлении в трубке, равном

атмосферному, жидкость в обоях ее коленах

находит-

ся на одном уровне по закону сообщающихся сосудов.

Если одно из колен трубки, например левое, соединить

с измеряемой средой, имеющей давление больше ат-

мосферного, то уровень жидкости в нем понизится, а в

другом колене трубки соответственно повысится. Рас-

стояние Я по вертикали между этими уровнями и оп-

ределит значение измеряемой среды.

У манометров второго типа (рис. 1, б) вертикальная

стеклянная трубка в нижней части соединена с широ-

ким металлическим сосудом (чашей) 3. Вследствие

разности диаметров трубки и чаши

незначительному

снижению уровня жидкости в чаше соответствует значи-

тельный подъем уровня в трубке 2, что облегчает

отсчет показаний по шкале

Для измерения сравнительно небольших избыточных

давлений и разрежений, например для измерения дав-

Рис.

1. Жидкостные манометры:

а _ V

образны»;

чашечный

Рис.

Деформационный

манометр

ления воздушного

дутья

в котлах или силы тяги в газо-

ходах при теплотехнических испытаниях, используют

чашечные жидкостные манометры с наклонной трубкой.

При замерах нулевое деление подвижной шкалы при-

бора устанавливают на уровне жидкости в чаще, сое-

диненной с измеряемой средой. Такие

микроманометры

позволяют измерять давление

150—1000

Па.

Преимуществами

жидкостных

манометров являются

сравнительно высокая точность измерения и постоянст-

во показаний независимо от срока службы, так как они

не имеют

передаточных

механизмов, изнашивание ко-

торых могло бы привести к погрешностям измерения.

Пределы измерений жидкостных манометров — от

нескольких

паскалей

до 0,3

МПа.

Деформационные манометры. В практике эксплуа-

тации

СЭУ

широкое применение получили деформаци-

онные манометры с трубчатой пружиной (рис. 2). Они

представляют собой трубку 4 эллиптического сечения,

соединенную через штуцер 7 с измеряемой средой.

При

повышении давления трубку «распирает» изнутри

и она стремится выпрямиться, а при уменьшении дав-

ления — наоборот, сжаться. Под давлением среды сво-

бодный конец трубки, перемещаясь через тягу 5, зуб-

чатый сектор 6 и шестерню 2 поворачивает

срелку

3 в

ту или другую сторону.

Передаточное число сектора и шестерни подбирают

так, чтобы при максимальной деформации трубки стрел-

ка поворачивалась на 270°. Спиральная пружина

жестко соединенная одним концом с осью стрелки, а

другим — с корпусом манометра, обеспечивает непре-

рывный контакт в сочленениях передаточного механиз-

ма, исключая влияние зазоров на показания прибора.

У манометров с трубчатой пружиной возможны

засорения и изнашивание последней, особенно при уси-

ленной вибрации и резких изменениях давления. Одна-

ко такие манометры отличаются сравнительно высокой

точностью и применяются для измерения давления

0,02—100 МПа.

Трубчатые пружины для измерения давления до

15 МПа изготовляют из латуни, а для измерения более

высокого давления — из стали.

Мембранные

манометры

имеют мембрану (диафраг-

му),

закрепленную между соединительными фланцами

камеры. Под давлением среды диафрагма, прогибаясь,

перемещает стержень, который через тягу, зубчатый

сектор и шестерню поворачивает стрелку прибора.

Мембранные манометры измеряют давление не бо-

лее 3

МПа.

Сильфонные манометры имеют такой же переда-

точный механизм, как и мембранные. Изменение дав-

ления среды в них воспринимает цилиндр с гофриро-

ванными стенками, называемый

сильфоном.

Электрические манометры. В этих манометрах де-

формация мембраны, возникающая под давлением сре-

ды, преобразуется в

электрические

сигналы. Измене-

ние характеристик электрического тока в цепи мано-

метра фиксируется вольтметром или омметром, шкала

которого градуирована в единицах давления.

В качестве электрических дистанционных маномет-

ров на судах наибольшее распространение получили

манометры

ЭДМУ

(рис.

3).

Их используют в основном

как дистанционные приборы и как сигнализаторы, из-

вещающие о недопустимом повышении или понижении

давления масла, воды и других жидкостей и газов.

Изменение давления среды воспринимает мембрана

4. Линейное перемещение

мембраны

через преобразова-

тель 3 рычажного типа передается движку реостата 2.

Последний включен в схему равновесного моста магни-

тоэлектрического логометра. При изменении положения

движка реостата нарушается равновесие мостовой схе-

мы. Токи /1 и

проходя по двум неподвижным индук-

тивным

кагушкам,

создают два противоположно на-

правленных момента. Каждый из этих моментов стре-

Рнс.

3. Дистанционный электрический манометр

мится

установить серповидный сердечник, изготовлен-

ный из ферромагнитного материала, чтобы середина

его совпадала с центром соответствующей катушки. Но

по мере приближения к такому положению вращающий

момент,

способствующий перемещению сердечника,

уменьшается, а момент, противодействующий переме-

щению, увеличивается. При определенном положении

сердечника вращающие моменты сравниваются и стрел-

ка 1 амперметра, шкала которого градуирована в

единицах давления, отклоняется на соответствующий

угол.

Вакуумметры и

мановакуумметры.

По конструкции

и принципу действия вакуумметры аналогичны мано-

метрам с трубчатой пружиной, но обладают большей

чувствительностью. Появление в трубчатой пружине

разрежения заставляет пружину под действием атмос-

ферного давления «сжаться», поэтому она при работе

не раскручивается, как у манометра, а, наоборот, за-

кручивается. Вакуумметры применяют на судах для

измерения разрежений за воздушным фильтром, в кон-

денсаторах паровых машин и на всасывающих линиях

насосов.

Мановакуумметрами

измеряют избыточные давле-

ния до 0,5 МПа и вакуум до 0,1 МПа. Мановакуум-

метр с трубчатой пружиной отличается от аналогичного

манометра только шкалой, которая у него разделена

на две части. На шкале

мановакуумметра

нуль распо-

лагается в верхней средней части так, что стрелка при-

возрастании давления перемещается в одну сторону от

него, а

при

разрежении — в другую. Мановакуумметры

устанавливают для контроля давления газов в картере

двигателя, на центробежных насосах, компрессорах хо-

лодильных установок и цилиндрах низкого давления

паровых машин.

Дифманометры.

Иногда требуется измерять раз-

ность давлений рабочей среды, например, разность

между давлениями масла до фильтра и после него.

В подобных случаях на магистралях устанавливают

дифманометры. Они бывают жидкостными и деформа-

ционными (мембранные и пружинные). Устройство и

принцип работы жидкостных дифманометров те же, что

и жидкостных

11-образных

манометров. У жидкостного

дифманометра одно колено соединено со средой высо-

кого давления, другое — со средой низкого давления.

Разность столбов жидкости (обычно ртути) и является

разностью измеряемых давлений.

Мембранные

дифманометры

представляют собой од-

ну мембрану, к которой давление подводится с двух

сторон, либо две мембраны, каждая из которых изме-

ряет разные давления.

Пружинный дифманометр (рис. 4) имеет подвиж-

ную 3 и неподвижную

шкалы. Стрелка 2 неподвиж-

ной шкалы через зубчатый сектор и соответствующие

тяги соединена с трубчатой пружиной 4, а подвижная

шкала 3 — с пружиной 5. Открытые концы трубчатых

пружин через

левый

штуцер соединены с магистралью

до фильтра, а штуцером 6 — с магистралью после не-

го. На рис 4 стрелка манометра занимает положение,

при котором давление до фильтра составляет 0,4 МПа,

после фильтра — 0,26 МПа и разность давлений масла

до и после фильтра 0,14 МПа.

Самопишущие манометры. Для

учетного

контроля

давления среды применяют самопишущие манометры

(монографы). По выполняемым функциям они

могут

быть регистрирующими, а также одновременно реги-

стрирующими

и показывающими

(стрелочными).

Самопишущий электрический манометр (рис. 5) со-

стоит из электромеханического измерительного механиз-

ма, лентопротяжного устройства, перемещающего бу-

мажную ленту, и записывающего устройства. Запись

давлений на бумажной ленте осуществляется пером,

закрепленным на конце стрелки измерительного меха-

низма. Чернила к перу подаются из бачка

(рис. 5, а)

через трубку 2. Бумажная лента крепится в обоймах

катушек 5, 10 (рис. 5, б), проходит по столику 3, на-

правляющему валику 4 и охватывает барабан 7. Спи-

ральными пружинами 6, 8 и роликом 9 лента плотно

прижимается к барабану, который вращается с посто-

янной угловой скоростью с помощью миниатюрного

синхронного двигателя. Необходимая скорость переме-

щения бумажной ленты определяется условиями экс-

плуатации манометра.

Прибор воспроизводит на бумажной ленте характер

изменения давления среды за час, вахту, сутки. Одно-

временно по шкале манометра можно определить и

давление среды в данный момент.

Приборы для измерения давления и разрежения

среды являются весьма важными средствами контроля

Рис. 4. Дифференциаль-

ный пружинный мано-

метр

Рис. 5. Самопишущий электрический

манометр:

— общий вид; 6 — функциональная

схема

за работой СЭУ. Поэтому необходимо систематически

проверять их исправность. На шкале приборов должен

быть указатель предельно допустимого давления конт-

ролируемой среды, а крышки корпусов должны быть

опломбированы. Манометры, находящиеся в эксплуа-

тации, нужно проверять с помощью контрольных мано-

метров каждые три месяца, а контрольные — ежеме-

сячно. Контрольные манометры и вакуумметры имеют

такую же конструкцию, как и обычные, но точности их

выше. Все приборы с трубчатой пружиной один раз в

год (остальные — один раз в два года) обязательно

должны подвергаться специальной проверке органами

метрологической службы Государственного комитета

СССР по стандартам.

4. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Общие сведения. Температуру (степень нагретости)

воды, топлива, масла, пара и газа измеряют термомет-

рами. Принцип их действия основан на изменении

свойств тел при изменении их температуры.

В зависимости от физических свойств тел, исполь-

зуемых в термометрах, последние подразделяют на тер-

мометры

расширения,

манометрические,

термометры

сопротивления

и термоэлектрические.

Термометрами расширения

измеряют

температуру

среды от 200 до

500°С,

манометрическими от 130 до

550°С,

термометрами сопротивления от 200 до

500°С,

термоэлектрическими — от 200 до 1600°С.

Обычно приборы, измеряющие температуру в пре-

делах до

500—600°С,

называют

термометрами,

а при-

боры, пределы измерения температуры которыми выше

600°С,

— пирометрами.

Термометры расширения. Принцип их

действия

ос-

нован на различии температурных коэффициентов теп-

лового расширения разных тел. Термометры расшире-

ния бывают жидкостные, биметаллические и дилатомет-

рические.

На судах речного флога применяют в основном жид-

костные и биметаллические термометры расширения.

Принцип работы жидкостных термометров основан

н,а

свойстве теплового расширения ртути, этилового спир-

та и других жидкостей, заключенных в стеклянную

трубку. Для измерения температуры в судовых усло-

виях в качестве жидкостных используют в основном

ртутные

термометры.

Температура кипения жидкости, как известно, по-

вышается с ростом давления, поэтому для увеличения

верхнего предела измерения температур пространство

над ртутью в стеклянной трубке (капилляре) заполня-

ют азотом под давлением до 2

МПа.

Верхний конец

трубки запаян, а нижний имеет форму расширяющего-

ся резервуара.

Ртутные жидкостные термометры выпускают пря-

мыми и угловыми. В зависимости от предела измере-

ния температуры они имеют номера от первого до один-

надцатого. Наибольший номер соответствует наиболь-

шему пределу измерения. Металлические оправы

стеклянных трубок бывают прямыми (рис. 6, а) и угло-

выми (рис. 6, б). Для измерения температуры и сигна-

лизации о достижении ею предельных значений приме-

няют электроконтактные ртутные термометры (рис. 6, в).

В пределах измеряемых температур до

100°С

отно-

сительная погрешность результатов измерений ртутных

термометров не превышает

±(2-ь4)%.

Ртутные

термо-

метры сравнительно дешевы, просты по устройству, их

легко монтировать на объектах измерения. Недостатки

среднее эффективное давление

а эффективную мощ-

ность вычисляют по формуле

=А

и>,

где

— по-

стоянная данного дизеля.

Торсиометры. Несмотря на то что различные косвен-

ные методы определения мощности сравнительно прос-

ты и не требуют применения дорогостоящих приборов,

они разработаны для определенных условий и погреш-

ность их довольно велика.

Наиболее точным методом определения эффективной

мощности является торсиометрирование дизелей. При-

меняемые для этой цели приборы (торсиометры) позво-

ляют измерять фактическое значение мощности незави-

симо от технического состояния дизеля, метеорологиче-

ских условий и других факторов Торсиометры делят на

индуктивные, акустические,

тензометрические

и опти-

ческие.

Эффективную мощность дизеля в этом случае опре-

деляют по формуле

где Аз — постоянная

торсиометра

для испытуемого дизеля;

|—

угол скручивания вала (в единицах шкалы

торсиочетра);

(о —

>гловая

скорость коленчатого вала

Торсиоыетр

фазочувствительным

измерителем мощ-

ности имеет две индуктивные катушки 2, 8 (рис. 17) с

сердечниками, в пазах которых расположены зубчатые

диски

9 из ферромагнитного сплава, закрепленные на

валу 10. Магнитный поток сердечников индуктивных ка-

тушек замыкается через зубцы дисков. Если вал непод-

вижен, фазы токов на выходе из индуктивных катушек

совпадают. При вращении под нагрузкой вал скручива-

ется, зубцы дисков смещаются относительно друг друга

на расстояние 6 и синхронность замыкания магнитных

потоков индуктивных катушек нарушается. На вход фа-

зочувствительного

блока 3 от индуктивных катушек в

этом случае поступает ток с различными фазами.

Разность фаз сигналов

фиксируется

измерительным при-

бором 4, шкала которого градуирована в единицах угла

скручивания (вращающего момента) вала. Нулевое зна-

чение угла скручивания (момента) устанавливают при

неподвижном вале взаимным смещением индуктивных

катушек относительно зубцов дисков

В системах автоматического контроля измерять мощ-

ность можно непрерывно. В

этом

случае выходные сиг-

ние

спиральной

пружины и перемещение стрелки по

шкале

Биметаллические термометры просты по кон-

струкции и надежды в эксплуатации. Их недостаток

заключается в том, что при перегреве измерительный

механизм быстро выходит из строя. В судовых условиях

биметаллические термометры используют в основном

как дистанционные с электрической или механической

передачей сигналов.

Манометрические термометры. Принцип их действия

основан на зависимости давления термометрического

вещества от его температуры. Термометр (рис. 8) со-

стоит из термобаллона 3, манометра 1 и соединяющей

их капиллярной трубки 2. Термобаллон заполняют жид-

костью (ртутью, ксилолом, метиловым спиртом) или

инертным газом (обычно азотом) и помещают в среду,

температуру которой измеряют. При нагревании балло-

на давление в его внутренней полости повышается и

стрелка манометра

поворачивается на соответствую-

щий этому давлению угол. Изменение давления жидко-

сти или газа в

термобаллоне

прямо пропорционально

изменению температуры среды, в связи с чем

шкалу

ма-

нометра

градуируют

в градусах Цельсия.

В зависимости от типа заполнителя манометриче-

скими термометрами измеряют температуру от 130 до

550°С.

Относительная погрешность результатов изме-

рений таких приборов не превышает ±2%, а точность

показаний зависит от температуры среды, в которой

находятся капиллярная трубка и манометр. Эти тер-

мометры широко применяют на судах в системах конт-

роля

параметров

работы СЭУ, для регистрации и дис-

танционной передачи показаний на расстояния до

60 м.

Термометры сопротивления. Принцип их действия

осиован на зависимости электрического сопротивления

металла от температуры. Для измерения температуры

среды в нее помещают термистор, через который про-

пускают ток; по изменению сопротивления

термистора

судят о его температуре, а следовательно, и температуре

среды. В качестве термоэлектрического сопротивления

прибора (рис. 9) обычно используют тонкий медный

или платиновый (для измерения более высоких темпе-

ратур) термистор.

Термистор наматывают на специальный каркас из

изоляционного теплостойкого материала (обычно слю-