1. Основные понятия и определения теории автоматического управле ния
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
ПЕРВИЧНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕ- ЛИ. Объяснение различных методов и принципов действия соответствующих датчиков для измерения химико-технологических параметров. 6.2.1. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ Температура является одним из важнейших параметров контроля и регулирования технологических процессов отрасли ((например, термическая обработка колбасных изде- лий, пастеризация молока, стерилизация консервов и др.). Диапазон измерения темпера- тур, при котором осуществляется технологическая обработка продукции, составляет от — 60 до 300 °С. Технологические процессы в отрасли, обусловленные многообразием тепло- и маесообменных процессов, а также микробиологических процессов, требуют примене- ния различных типов технических средств для измерения температуры. Температура — это условная статистическая величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии частиц вещества (молекул или атомов). В настоящее время в Советском Союзе применяется «Международная практическая температурная шкала» (МПТШ—68), которая представляет собой практическую реализацию термодинамической температурной шкалы. В ее основе лежит ряд воспроизводимых равновесных состояний, точек плавления и кипения химических веществ, для которых характерны определенные значения температур, основные реперные точки. Единицей температуры, устанавливаемой «Международной практической темпера- турной шкалой», является термодинамическая температура, выраженная в Кельвинах (К). Кельвин определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается применение градуса Цельсия (°С) как единицы температуры. Связь между температурой Т, выраженной в Кельвинах, и температурой t, выраженной в гра- дусах Цельсия. Приборы для измерения температуры в зависимости от принципа действия класси- фицируют следующим образом: термометры расширения (жидкостные, дилатометриче- ские, биметаллические); манометрические термометры; термоэлектрические преобразова- тели; термопреобразователи сопротивления, пирометры. Термометры, расширения. Термометры стеклянные жидкостные. Принцип дейст- вия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термомет- риче ской жидкости, заключенной в термометре, т. е. на изменении объема этой жидкости. В качестве термометрической жидкости используют ртуть, толуол, этиловый спирт, эфир и др. Стеклянные жидкостные термометры применяют для измерения температур от — 90 до 600 °С и изготовляют в виде палочных и со вложенной шкалой (рис. 6.2.1). По виду хвостовика (погружной части) термометры с вложенной шкалой бывают прямого и угло- вого типов. Для сигнализации и автоматического позиционного регулирования температуры применяют технические электроконтактные термометры, имеющие впаянные контакты (рис. 6.2.2). Один из контактов подвижной и перемещается с помощью магнитной муфты, а другой контакт неподвижный, впаянный в капилляр. Замыкание (размыкание) электри- ческой цепи между контактами происходит вследствие изменения объема ртути. Жидкостный термометр как звено с позиций теории автоматического управления может быть аппроксимирован передаточной функцией, которой соответствует апериоди- ческое звено 1-го порядка с запаздыванием. тде k — коэффициент усиления; т 3 — время запаздывания, с; Т — постоянная вре- мени, с. Рассмотренные термометры широко применяют в отрасли, . так как они имеют низкую стоимость и просты в эксплуатации. Вследствие специфики производства мясной и молочной, а также пищевой продукции ртутные стеклянные жидкостные термометры для измерения температуры в технологических объектах автоматизации применять за- прещено. Дилатометрические термометры. Принцип действия дилатометрических термомет- ров (рис. 6.2.3) основан на использовании разности изменений длины трубки и стержня при нагревании, что объясняется различием их коэффициентов линейного температурного расширения. Одновременное изменение трубки и стержня при повышении температуры иссле- дуемой среды можно выразить следующей зависимостью: где (к, / н — длина трубки соответственно при t K и t n , м; t„, l K — соответственно на- чальная и конечная температура, С С; а т , а с —коэффициент линейного расширения соответ- ственно трубки и стержня, 1/°С. Рисунок 6.2.3. Схема дилатометрического термометра: / — стержень; 2 — трубка; 3 — пружина; 4 — стрелка; S — шкала Рисунок 6.2.4. Схема биметаллического термометра: / — биметаллическая пружина; 2 — неподвижный конец биметаллической пружи- ны; 3 — подвижной конец биметаллической пружины;4— шарнир; 5 — стрелка; 6 — шкала Биметаллические термометры. Это средства измерений, которые изготовляют из двух разнородных металлических пластин, сваренных по всей длине и имеющих различ- ные коэффициенты линейного температурного расширения, например, сталь и инвар (рис. 6.2.4). При нагревании биметаллическая пластина деформируется и изгибается в сторону металла (инвара), обладающего меньшим коэффициентом линейного тем- пературного расширения. Биметаллические термометры предназначены для измерения температуры от —100 до 600°С с по- « грешностью ± (1-ь2,5) %. В отрасли в качестве простейших регуляторов температуры применяют биметаллические температурные реле. Манометрические термометры. Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости между давлением и температурой рабочего термометрического вещества в замкнутой герметичной термосистеме. По виду рабочего термометрического вещества различают следующие манометрические термометры: газовые, жидкостные и конденсационные (паро-жидкоетные). Диапазон измерения температур с помощью этих термометров от —60 до 600 °С. Класс точности 1,5-—2,5. Манометрический термометр (рис. 6.2.5) состоит из термобаллона, погружаемого в среду, капилляра с защитной оболочкой и манометрической пружины, расположенной в корпусе. Работает прибор следующим образом. При нагревании термобаллона давление рабочего вещества в термосистеме увеличивается, что приводит к деформации маномет- рической пружины. Деформация свободного конца пружины через поводок и сектор вы- зывает перемещение стрелки прибора, соответствующее значению измеряемой темпера- туры. Газовые манометрические термометры. В этих приборах в качестве рабочего (термометрического) вещества использован азот. Зависимость между давлением рабочего вещества и температурой описывается фор- мулой (29) где Ар — изменение давления, Па; р к , р н — давление рабочего вещества (газа) со- ответственно при i K и t u , Па; (3 ■— термический коэффициент расширения газа, 1/°С; t B и t K — температура соответственно начальная и конечная, °С. Анализ выражения показывает, что изменение давления А/? в термосистеме прямо пропорционально давлению р н и диапазону температур (t K —t H ), следовательно, шкала прибора равномерная. Передаточная функция газового манометрического термо- метра аппроксимируется выражением где Ti и Тг — постоянные времени, с. Рисунок 6.2.5. Схема манометрического термометра: 1 — сектор; 2 — манометрическая пружина; 3 — поводок; 4 — корпус; 5 — капил- ляр; 6 —* защитная оболочка; 7 — термобаллон Манометрические газовые термометры используют для измерения температуры от —60 до 600 °С. Жидкостные манометрические термометры. В качестве рабочего вещества в жид- костных манометрических термометрах использована ртуть (для температур от —30 до 600 °С) или ксилол (для температур от —40 до 200 °С). Уравнение, характеризующее принцип их действия, можно представить в виде где Ар— изменение давления, Па; а — коэффициент объемного расширения жид- кости, 1/°С; At— изменение температуры, °С; у — коэффициент сжимаемости жидкости, м 2 /Н. Жидкостные манометрические термометры имеют равномерные шкалы и приме- няются для измерения температур от —150 до 300°С. Конденсационные манометрические термометры. В качестве рабочего вещества в конденсационных манометрических термометрах применяют хладон R22, пропилен, аце- тон, хлорид метила и т. п. Термобаллон термометров частично (как правило, на 70—75% объема) заполнен конденсатом, а в верхней его части, в капилляре и манометрической трубке над конденсатом находится насыщенный пар используемого рабочего вещества. Принцип действия конденсационных (парожидкостных) манометрических термо- метров основан на зависимости между давлением насыщенного пара и температурой. При увеличении температуры измеряемой среды часть жидкости в термобаллоне испаряется, это приводит к изменению давления насыщенного пара в термосистеме, в результате чего деформируется манометрическая пружина, свободный конец которой с помощью пе- редаточного механизма соединен со стрелкой. Положение стрелки в данный момент вре- мени показывает значение измеряемой температуры. У конденсационных термометров шкала неравномерная, что объясняется нелинейной зависимостью между изменением дав- ления насыщенных паров конденсата и температурой. Диапазон измерения температур этими приборами от —50 до 300 °С. Манометрические термометры получили широкое распространение в отрасли, так как они характеризуются простотой конструкции, относительно низкой стоимостью и на- дежностью в работе. Достоинствами их являются взрывобезопасность и возможность дис- танционной передачи и записи показаний (длина капилляра от 1 до 60 м). К недостаткам манометрических термометров можно отнести инерционность и невысокую точность из- мерений. Однако эти недостатки существенно не ограничивают применение этих прибо- ров, так как большинство технологи ческих процессов отрасли имеют большую инер- ционность, исчисляющуюся минутами и десятками минут. Рисунок 6.2.6. Термоэлектрическая цепь из двух разнородных проводников Термоэлектрические преобразователи температуры. Принцип действия термоэлек- трических преобразователей основан на термоэлектрическом эффекте. Сущность эффекта заключается в наличии зависимости между термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС), возникающей в замкнутой цепи, которая состоит из разнородных проводников, и темпера- турами мест их соединения. Цепь, образованная из двух разнородных и одинаковых по длине проводников А я В (термоэлектродов), имеет два спая (рис. 6.2.6). Спай с темпера- турой t называется горячим (рабочим), а спай с постоянной температурой t 0 -—холодным (свободным). Возникновение термо-ЭДС объясняется электронной теорией. Если плотность сво- бодных электронов неодинакова, например металл А содержит свободных электронов больше, чем металл В, тогда в местах соприкосновения (спаях) двух разнородных метал- лов, например, в спае с температурой t электроны из металла А будут диффундировать в металл В в большем количестве, чем электроны металла В в обратном направлении в ме- талл А. Тогда металл А будет заряжаться положительно, а металл В отрицательно. В этом случае между проводниками А и В возникает контактная разность потенциалов, которая называется термоэлектродвижущей силой. Уравнение, характеризующее принцип дейст- вия термоэлектрического преобразователя, можно записать следующим образом: или где EAB(t,to)—суммарная термо-ЭДС, обусловленная диффузией в спаях и гради- ентом температур по длине проводника, В; елв(0 и е В д^о)—термо-ЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур на концах проводников А и В, В. Порядок написания термоэлектродов АВ в индексе символа контактной термо-ЭДС е АВ указывает на направление тока в холодном спае, поэтому термоэлектрод, обозначен- ный в индексе первым, будет положительным, а второй — отрицательным. Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя температуры, состоящего из двух разнородных проводников, места соединения которых имеют неодинаковые темпе- ратуры, равна разности контактных термо-ЭДС: где e A B(t)=f(t)—величина контактной термо-ЭДС, при температуре t, В; eAB\to)'=f(to)—величина контактной термо-ЭДС при температуре to, В. При использовании термоэлектрического преобразователя температуру холодного спая t Q поддерживают постоянной, т. е. to = const. Вводя обозначение f(t 0 ) =C, получим (30) Таким образом, если для конкретного термоэлектрического преобразователя тем- пературы экспериментально определена зависимость, выраженная уравнением (30), то оп- ределение неизвестной температуры t сводится к измерению термо-ЭДС — ЕавЦ, t 0 ). Для измерения термо-ЭДС E AB (t,t 0 ) термоэлектрического преобразователя темпера- туры в его цепь включают измерительный прибор. С этой целью либо разрывают термо- электрическую цепь в холодном спае, либо один из термоэлектродов, например В, и с по- мощью проводов С включают измерительный прибор (ИП) (рис. 6.2.7). В настоящее время в стране применяют термоэлектрические преобразователи температуры с металлическими электродами, изготовленными из благородных и неблагородных металлов. В отрасли наибольшее распространение получили термоэлектрические преобразователи типа ТХА (хромель-алюмель) и ТХК (хромель-копель). Конструктивно термоэлектрический преобразователь температуры сострит из двух разнородных металлических проволок (рис. 6.2.8), концы которых сварены с помощью вольтовой дуги и образуют рабочий спай. Термоэлектроды изолируют керамическими или стеклянными бусами. От механических повреждений, воздействия агрессивных сред тер- моэлектроды защищены специальной арматурой. Технический термоэлектрический преобразователь температуры (рис. 6.2.9) состо- ит из двух термоэлектродов, образующих рабочий спай, изолированных друг от друга с помощью фарфоровых бус. Защитная арматура включает гильзу, неподвижный штуцер, головку и трубку. В головке, снабженной крышкой и патрубком с сальниковым уплотнением, поме- щена розетка из изоляционного материала с клеммами для подключения термоэлектродов и проводов, соединяющих термоэлектрический преобразователь с измерительным прибо- ром. Длину его погружной части выбирают в зависимости от условий эксплуатации и вида технологического оборудования. Измерительными приборами, работающими в комплекте с I термоэлектрически- ми преобразователями температуры, служат автоматические потенциометры и магнито- электрические милливольтметры. Передаточная функция термоэлектрических преобразователей температуры (с защитной арматурой) описывается выражением Значение постоянных времени 7\ и Т 2 зависит как от типа защитной арматуры, так и коэффициента теплоотдачи между рабочим спаем и окружающей средой. Рисунок 6.2.7. Схемы подключения измерительного прибора: а — к свобод- ным концам термоэлектрического преобразователя температуры; б—в разрыв термоэлек- трода Рисунок 6.2.8. Чувствительный элемент термообразователя температуры: 1— рабочий спай; 2— изоляторы; 3— разнородные проводники Рисунок 6.2.9. Схема термоэлектрического преобразователя температуры. 1 —рабочий спай; 2 — гильза; 3 — фарфоровые бусы; 4 — неподвижный штуцер, 5 — розетка; 6 — головка; 7 — крышка; 3 — сальниковое уплотнение; 9 — патрубок; 10 —- трубка Термоэлектрические преобразователи температуры нашли широкое применение в отрасли, что объясняется рядом их достоинств: возможностью дистанционного измерения температуры, высокой точностью измерения. Они осуществляют автоматический кон- троль температуры при использовании многоточечных приборов и управляющих вычис- лительных машин. Термопреобразователи сопротивления. Принцип действия термопреобразовате- лей сопротивления основан на свойстве веществ изменять активное электрическое сопро- тивление в зависимости от температуры. Металлы, применяемые для изготовления чувствительных элементов термопреоб- разователей сопротивления, не должны окисляться, обладать достаточно высоким удель- ным электрическим сопротивлением, а в диапазоне измеряемых температур характеризо- ваться линейной или близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры. Этим требованиям удовлетворяют платина и медь, из которых изготовляют чувстви- тельные элементы термопреобразователей сопротивления. Изменение активного электрического сопротивления платины в диапазоне темпе- ратур от 0 до 650°С описывается уравнением где Rt — сопротивление термопреобразователя при температуре t, Ом; ^ 0 — сопро- тивление термопреобразователя при 0°С, Ом; А и В — постоянные коэффициенты, значе- ния которых определяются в точках кипения воды, серы и кислорода. . В мясной и молочной промышленности технические платиновые термопреобразо- ватели сопротивления типа ТСП применяют для измерения температур от —200 до 650 °С; они имеют градуировку 1П; 5П; 10П; -100П; 500П. При 0 °С сопротивление термометра градуировки 10П равно 10 Ом; градуировки 100П—100 Ом и т. д. Достоинством ТСП яв- ляется высокая надежность работы в воздушной среде. Зависимость изменения активного электрического сопротивления меди от темпе- ратуры описывается выражением где Ri в й — сопротивление меди соответственно при температуре t и 0 °С, Ом; а — температурный коэффициент электрического сопротивления, 1/°С. Медные термопреобразователи сопротивления типа ТСМ применяют для измере- ния температур от —50 до 180 °С; они имеют градуировки: 10 М (^о=Ю Ом); 50 М (i? 0 = 50 Ом) и 100 М (Ro—100 Ом). Градуировка стандартных термопреобразователей сопро- тивления приведена в приложении 3. В качестве измерительных приборов, работающих в комплекте с термопреобразо- вателями сопротивления, применяют автоматические уравновешенные мосты и логомет- ры. Для работы комплекта, состоящего из термопреобразователя сопротивления и из- мерительного прибора, каждому экземпляру измерительного прибора, имеющему опреде- ленную градуировку, должны соответствовать термопреобразователи сопротивления точ- но такой же градуировки. Рассмотрим конструкцию чувствительного элемента технического термопреобра- зователя сопротивления типа ТСП (рис. 6.1.10). Он состоит из собственно чувствительно- го элемента и защитной арматуры. Чувствительный элемент платинового термопреобра- зователя сопротивления изготовляют из платиновой проволоки диаметром 0,04—0,07 мм - и длиной около 2 м, бифилярно намотанной на пластинку с зубчатыми краями, которая сверху . закрывается слюдяными накладками и скрепляется в пакет лентой. Выводы дела- ют.из серебряной проволоки диаметром 1 мм. Длина чувствительного элемента 30—120 мм. Чувствительные элементы медных термопреобразователей сопротивления изготов- ляют из медной эмалированной проволоки диаметром ОД мм, намотанной в несколько слоев на цилиндрический каркас из пластмассы или металла, и покрытой слоем лака для герметизации. Защитная арматура для платиновых и медных термопреобразователей сопротивле- ния аналогична защитной арматуре для термоэлектрических пре образователей (см. рис. 39). Динамические свойства термопреобразователей сопротивления, имеющих большую инерционность, например ТСП-1, можно описать передаточной функцией: где T t , Г 2 и Т 3 — постоянные времени, с. Термопреобразователи сопротивления нашли широкое применение в отрасли, так как позволяют осуществлять дистанционное измерение температуры с высокой точностью, дают возможность централизованного контроля и регулирования температуры с исполь- зованием многоточечных автоматических мостов и управляющих вычислительных машин. В последние годы для измерения температуры применяют полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (терморезисторы). Материалом для изготовления чувствительных элементов являются смеси окислов меди и марганца, смеси окислов ко- бальта и марганца, смеси двуокиси титана с окислами магния и др. Рисунок 6.2.10. Схема чувствительного элемента платинового термопребразователя сопротивления: 1 — плоская слюдяная пластина; 2 — платиновая проволока; 3 — спай проволоки с выводами; 4 — серебряные проволочные выводы; 5 — плоские слюдяные накладки; в — серебряные ленты Основная зависимость, характеризующая принцип действия полупроводниковых термопреобразователей сопротивления, имеет вид где Rt — сопротивление полупроводникового термопреобразователя сопротив- ления (ПТС) при температуре t, Ом; А и В — постоянные коэффициенты, зависящие от свойств материала чувствительного элемента и его конструкции; Т—абсолютная темпера- тура, К. Приведенная выше зависимость показывает, что активное электрическое сопротив- ление терморезисторов уменьшается с увеличением температуры. Устройство полупро- водниковых чувствительных элементов ПТС представлено на рис. 6.2.11. Достоинствами терморезисторов являются высокая чувствительность, малая инерционность и небольшие размеры. |