Соловцов В.К., Контрольно-измерительные приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 20. Механический интегратор:

1 — синхронный электродвигатель, 2 — профилированный кулачок. 3 — счет-

чик оборотов, 4 — муфта одностороннего свободного хода, 5 — рычаг с пе-

ром, 6 — лекало, 7 — стопорный рычаг

Рис. 21. Электромеханический интегратор:

1 — счетчик оборотов, 2 — фрикционный диск, 3 — электромагнит, 4— под-

вижная щетка, б — синхронный электродвигатель, 6, 7 и 8 — неподвижные

щетки. 9 —источник питания электромагнита

разделено на два изолированных между собой полукольца, на

которых установлены две токосъемные щетки — неподвижная

и подвижная.

Подвижная щетка механически связана с указателем прибо-

ра и может занимать различное положение относительно непод-

вижной щетки. Очевидно, что при вращении контактных колец

цепь обмотки муфты может подключаться к источнику питания ·

только в том случае, когда подвижная и неподвижная щетки со-

прикасаются одновременно с одним из контактных полуколец.

Такое положение возможно, если угол между щетками состав-

ляет меньше 180°. При этом с уменьшением угла между подвиж-

ной и неподвижной щетками увеличивается продолжительность

времени их контакта на одном из полуколец за период каждого

оборота оси магнитной муфты.

При включении электромагнитной муфты происходит механи-

ческое соединение счетчика оборотов с осью синхронного элект-

родвигателя. Показания счетчика будут изменяться тем быстрее,

чем длительнее период каждого включения электромагнитной

муфты. Таким образом, электромагнитная муфта выполняет

роль звена с переменным соотношением между электродвигате-

лем и счетчиком оборотов, а изменение этого соотношения соот-

ветственно показаниям прибора достигается путем механиче-

ской связи между подвижной щеткой на контактном кольце и

указателем прибора.

Кроме механических интеграторов, в приборах применяют

интегрирующие устройства на электрических элементах. Вместо

механических счетчиков используют счетчики электрических

импульсов.

§ 9. ДИСТАНЦИОННАЯ ПЕРЕДАЧА ПОКАЗАНИЙ

На современных промышленных предприятиях с большим

количеством технологического оборудования стремятся сосредо-

точить средства автоматики и контрольно-измерительные при-

боры на центральном щите управления участка, цеха или всего

предприятия. Это необходимо для большей оперативности в

управлении технологическими процессами, улучшения условий

работы контрольно-измерительной аппаратуры, сокращения чис-

ленности обслуживающего персонала и для создания возможно-

стей комплексной автоматизации управления производством.

В связи с этим местные контрольно-измерительные приборы вы-

тесняются дистанционными приборами, показывающая часть

которых может быть удалена на значительное расстояние от ме-

ста измерения.

Передавать на расстояние можно непосредственно измеряе-

мую величину или полученную в результате преобразования про-

порциональную ей другую величину.

Различные неэлектрические величины можно преобразовы-

вать в электрические у места измерения и передавать на рассто-

яние.

Находящиеся у места измерения устройства, в которых раз-

личные неэлектрические величины преобразуются в электриче-

ские, называют первичными приборами или датчиками.

Приборы, измеряющие величины, передаваемые датчиками,

называют вторичными приборами.

Простейшим примером датчика служит термоэлемент или тер-

мопара. Термопара состоит из двух соединенных между собой

проводников разного материала. Если нагревать место соедине-

Рис. 22. Схема дистанционной передачи

с индукционным мостом

ния — спай двух провод-

ников термопары, то в це-

пи 'возникает электродви-

жущая сила, которая мо-

жет быть измерена при-

борами, подключенными

к свободным концам тер-

мопары. Существует впол-

не определенная зависи-

мость этой термоэлектро-

движущей силы от разно-

сти температуры горячего

спая термопары и свобод-

ных концов, к которым присоединен измерительный прибор. При-

бор можно подсоединить через достаточно длинные провода, чем

достигается дистанционное измерение температуры. Шкала при-

бора градуируется в единицах температуры по заранее извест-

ной характеристике термопары.

Другим видом дистанционной передачи является передача

показаний местного измерительного прибора. При нем весь про-

цесс измерения происходит в местном приборе, а на расстояние

передается величина, пропорциональная механическому переме-

щению указателя. Устройство для такой передачи называют сле-

дящей системой, а вторичный прибор — следящим прибором.

В качестве электромеханических следящих систем дистанци-

онной передачи широкое распространение получили индукци-

онные мосты, сельсины, дифференциально-трансформаторные

системы и ферродинамические механизмы.

Индукционный мост (рис. 22) состоит из двух одинаковых ка-

тушек, разделенных на две секции. Внутри катушек могут пере-

мещаться стальные сердечники. Одна катушка монтируется в

первичном приборе, вторая — в следящем. Катушки соединяют-

ся между собой, как это показано на рисунке, и питаются от

источника переменного тока. Сердечник первой катушки связан

с подвижной частью первичного прибора, а сердечник второй —

с указателем следящего прибора.

Если сердечники обеих катушек занимают одинаковые поло-

жения по отношению к секциям, то индуктивные сопротивления

соответствующих секций равны и мост находится в равновесии

(тока в среднем проводе нет).

Перемещение сердечника в катушке первичного прибора при-

водит к изменению индуктивного сопротивления одной из сек-

ций этой катушки. Токи в секциях перераспределяются таким

образом, что увеличивается втягивающее усилие соответствую-

щей секции катушки следящего прибора. Если, например, сер-

дечник в показывающем приборе переместился вверх, то токи

уменьшаются в верхней секции первой катушки и нижней секции

второй катушки и увеличиваются в верхней секции второй ка-

тушки и нижней секции первой. Через средний провод будет про-

текать так называемый уравнительный ток.

Сердечник катушки следящего прибора начинает переме-

щаться в сторону секции с большим током, передавая свое дви-

жение стрелке. По мере перемещения сердечника индуктивное

сопротивление соответствующей секции будет возрастать, а ток

и втягивающее усилие уменьшаться.

Движение прекратится, когда сердечник катушки вторич-

ного прибора займет положение, соответствующее положению

сердечника первой катушки. Так, посредством индукционного

моста осуществляется дистанционная передача показаний при-

бора.

Следящая система с индукционным мостом особенно часто

применяется в поплавковых жидкостных приборах и является

самой простой системой дистанционной передачи показаний.

К недостаткам этой системы относится значительное потребле-

ние энергии и низкий коэффициент использования активных ма-

териалов из-за наличия разомкнутой магнитной цепи.

Сельсин состоит из статора — неподвижной части и ротора —

подвижной части (рис. 23). Обмотки статоров сельсинов под-

ключают к сети переменного тока. Обмотки роторов соединяют

параллельно. Если повернуть на какой-либо угол ротор одного

из сельсинов, то ротор другого сельсина под действием возник-

ших уравнительных токов повернется на такой же угол. Обмот-

ки роторов сельсинов выведены на контактные кольца, что

обеспечивает свободное вращение роторов без ограничения угла

поворота. Конструкции сельсинов весьма разнообразны. Обмот-

ки возбуждения и синхронизации могут быть расположены как

на роторе, так и на статоре. Существуют также конструкции бес-

контактных сельсинов, где обе обмотки расположены на статоре,

а ротор представляет собой подвижную часть сложного магни-

топровода. Сельсинная передача применяется только для доста-

точно мощных измерительных механизмов, так как сельсины име-

ют значительное трение в подшипниках.

Индукционные системы дистанционной передачи обладают

ценным свойством — независимостью перемещений от колебаний

Рис. 23. Схема дистанционной передачи с сельсинами:

ОВ — обмотки возбуждения, ОС — обмотки синхронизации

Рис. 24. Схема дистанционной передачи с ферродинамическими механизмами:

а —с самоуравновешиванием, б —с принудительным уравновешиванием; РД — реверсив-

ный электродвигатель. Ус — усилитель

Рис. 25. Схема дистанционной передачи с диф-

ференциальными трансформаторами:

ТІ — датчик, Т2 — приемник, РД — реверсивный электро-

двигатель, Ус — усилитель

питающего напряжения, частоты тока и сопротивления соеди-

нительных проводов. При колебаниях этих величин меняется

только движущая сила, действующая на механизм следящего

прибора.

Система дистанционной передачи угла поворота может быть

выполнена на ферродинамических механизмах (рис. 24), кото-

рые представляют собой однофазный трансформатор с подвиж-

ной обмоткой. Для непосредственной передачи (рис. 24, а) об-

мотки ферродинамических механизмов соединяют параллельно,

подобно схеме с сельсинами. При повороте рамки ведущего фер-

родинамического механизма напряжение на ее выходных зажи-

мах изменяется и возникает уравнительный ток. Под действием

уравнительного тока рамка ведомого ферродинамического меха-

низма поворачивается в такое положение, чтобы напряжение

на ее зажимах было равно и противоположно по фазе напряже-

нию на рамке ведущего механизма. В отличие от сельсинной пе-

редачи, угол поворота следящей системы с ферродинамически-

ми механизмами ограничен, так как гибкие токопроводы к об-

моткам рамок не допускают кругового вращения.

Ферродинамическая система используется также с принуди-

тельным уравновешиванием (рис. 24, б). Разность напряжений

в рамках подводится к усилителю, на выходе которого включен

электродвигатель. Вал электродвигателя механически связан

с осью ведомой рамки. При наличии напряжения на входе усили-

теля электродвигатель поворачивает ведомую рамку в такое по-

ложение, чтобы свести к нулю имеющуюся разность напряжений.

Наиболее широкое распространение получила дистанционная

передача с дифференциальными трансформаторами (рис. 25).

Катушка дифференциально-трансформаторного датчика име-

ет две обмотки. Первичная обмотка равномерно намотана по

всей длине катушки, а вторичная обмотка разделена на две рав-

ные секции, каждая из которых расположена на половине пер-

вичной обмотки.

Датчик соединен четырехпроводной линией связи с вторич-

ным прибором, где в схему включена точно такая же катушка

с железным сердечником, как и в датчике.

Первичные обмотки датчика и приемника соединены по-

следовательно и питаются переменным током от обмотки транс-

форматора, находящегося во вторичном приборе. Вторичные

обмотки также соединены последовательно и встречно. При оди-

наковом расположении сердечников в датчике и приемнике на-

пряжения на вторичных обмотках равны между собой; в ре-

зультате встречного включения обмоток сумма этих напряжений

равна нулю. При изменении расположения сердечника в датчике

появится некоторая разность напряжений вторичных обмоток,

которую можно скомпенсировать, если на такую же величину

переместить сердечник в приемной катушке.

Разность напряжений обнаруживают с помощью электрон-

ного усилителя. От усилителя питается реверсивный электродви-

гатель, который перемещает сердечник в приемной катушке

вслед за изменением положения сердечника в датчике.

Кроме устройств индукционного типа, для дистанционной пе-

редачи используют реостатные системы с чувствительными эле-

ментами в виде переменных сопротивлений.

Переменное сопротивление включено в электрическую цепь

постоянного тока. Подвижный контакт этого сопротивления свя-

зан с измерительным механизмом первичного прибора. Перемен-

ное сопротивление находится во вспомогательной цепи постоянно-

го тока. В качестве вторичного прибора используют обычный

электроизмерительный прибор.

Дистанционные измерения могут осуществляться в пределах

200—300 м.

§ 10. СИГНАЛИЗИРУЮЩИЕ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Оператору, наблюдающему за ходом технологического про-

цесса, нет необходимости постоянно следить за показаниями всех

контрольно-измерительных приборов. Многие измеряемые вели-

чины поддерживаются автоматическими регуляторами с задан-

ной степенью точности, допустимой для данного технологиче-

ского процесса. Однако в силу различных обстоятельств может

произойти нарушение хода процесса, и значения измеряемых

величин выйдут из установленных пределов. Для привлечения

внимания оператора приборы снабжают сигнализирующими ус-

тройствами, которые включают звуковой или световой сигнал и

оповещают оператора о недопустимом изменении значения изме-

ряемой величины.

Сигнализация бывает однопозиционная и двухпозиционная.

При однопозиционной сигнализации прибор дает одинаковый

сигнал независимо от на-

правления отклонения изме-

ряемого параметра. Обычно

для этой цели используют

звуковой и одноцветный све-

товой сигнал. Двухпозицион-

ная сигнализация показыва-

ет, в какую сторону откло-

нился параметр. В этом слу-

чае применяют световые

сигнальные устройства раз-

ного цвета или с поясняю-

щими надписями «боль-

ше» — «меньше».

Рис. 26. Схема механизма сигнализа-

ции с профилированными дисками

Сигнализирующие устройства представляют собой систему

контактов или реле, включающих цепи исполнительных сигналь-

ных приборов (звонок, сирена, световое табло). Замыкание

и размыкание контактов связано с положением подвижной части

измерительного механизма прибора и происходит автоматиче-

ски при определенных значениях измеряемой величины. На рис. 26

показана схема контактного устройства с профилированными

дисками, применяемого в некоторых видах сигнализирующих

приборов.

Приборы с сигнализирующими устройствами могут использо-

ваться как простейшие автоматические регуляторы. Вместо сиг-

налов контакты могут включать и отключать различное оборудо-

вание, регулирующие приспособления, нагреватели и другие уст-

ройства, от которых зависит значение измеряемой и регулируемой

величины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Для чего служит измерительный механизм прибора?

2. Расскажите об основных свойствах упругих чувствительных элементов.

3. Какую роль выполняет в измерительном механизме успокоитель (демп-

фер) и какие виды успокоителей наиболее часто применяются?

4. Какими способами определяется численное значение измеряемой ве-

личины?

5. Из каких основных узлов состоит самопишущее устройство прибора?

6. Каково назначение счетчика оборотов и интегратора?

7. Какие системы дистанционной передачи показаний применяют в конт-

рольно-измерительных приборах?

8. Как осуществляется сигнализация предельных значений измеряемых ве-

личин?

ГЛАВА III

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

§ 11. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

Приборы для измерения температуры, основанные на свой-

ствах тел увеличивать свой объем при нагревании, называют

термометрами расширения. К таким приборам относятся биме-

таллические, стержневые и жидкостные стеклянные термометры.

Биметаллический термометр (рис. 27, а) имеет чувствитель-

ный элемент в виде плоской или спиральной пружины, спаянной

из двух пластин. Пластины изготовляют из металлов с разными

температурными коэффициентами расширения. При нагревании

обе пластины удлиняются, но неодинаково, и пружина изгибается

в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом.

По величине изгиба можно судить о температуре нагрева.

Стержневой термометр — дилатометр (рис. 27, б) состоит из

трубки и стержня, изготовленных из разных материалов. Стер-

жень расположен внутри трубки. Один конец его жестко

прикреплен ко дну трубки. Трубка и стержень по-разному удли-

няются при нагревании. Изменение соотношения их длины ха-

рактеризует температуру нагрева.

Биметаллические и стержневые термометры применяют глав-

ным образом в качестве сигнализаторов и регуляторов темпера-

туры. При заданных значениях температуры они замыкают или

размыкают электрические контакты, включаемые в различные

цепи.

Жидкостные стеклянные термометры основаны на объемном

расширении жидкости, заключенной в закрытом стеклянном ре-

зервуаре. Резервуар соединен с капилляром — трубкой, имею-

щей малый внутренний диаметр. При нагревании резервуара за-

полняющая его жидкость увеличивается в объеме и поднимается

вверх по капилляру. По высоте столбика жидкости в капилляре

можно судить об измеряемой температуре. Чем тоньше капил-

ляр, тем чувствительнее термометр. Рабочей жидкостью в термо-

метрах обычно служит ртуть или спирт.

Ртутные стеклянные термометры (рис. 28) разделяются на

палочные и с вложенной шкалой.

Палочный термометр представляет собой толстостенную ка-

пиллярную трубку из термостойкого стекла или кварца, на кото-

рой нанесены деления шкалы (рис. 28, а, в). Пространство в ка-

Рис. 27. Механические термометры расширения:

а — биметаллический, б — стержневой (дилатометрический)

Рис. 28. Ртутные стеклянные термометры:

а - палочный, б —с вложенной шкалой, в —с укороченной шкалой, г — технический,

д — угловой, е — одноконтактный, ж — одноконтактный с отливом; 1 — капилляр, 2 —

резервуар, 3 — шкала, нанесенная на внешней поверхности капилляра, 4 — шкала на

пластине молочного стекла, 5—защитная оболочка, 6 — вспомогательная шкала, 7—

основная шкала, 8 — оболочка, 9 — нижняя (хвостовая) часть, 10 — корковая пробка,

залитая гипсом, 11 — выводы контактов, 12 — дополнительный резервуар