Механик. Автоматизация судов в вопросах и ответах (1). Автоматизация судов в вопросах и ответах предисловие

• Название: Автоматизация судов в вопросах и ответах предисловие
• Анкор: Механик
• Дата: 13.09.2022
• Размер: 2.78 Mb.
• Имя файла: Автоматизация судов в вопросах и ответах (1).doc
• Тип: Документы; #675051
• страница: 4 из 26

Глава третья

ДАТЧИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ, МОМЕНТА, ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, УРОВНЯ

Датчики для измерения частоты вращения

Какие датчики применяют для измерения частоты вращения?

В главных и вспомогательных турбинах двигателя, турбогенераторах применяют разные по принципу действия и устройства регуляторы частоты вращения, что и обусловливает конструктивное разнообразие датчиков частоты вращения, устанавливаемых в судовых системах.

В качестве измерительных элементов в регуляторах получили распространение (вследствие конструктивной простоты) механические или центробежно-маятниковые датчики. Действие их основано на измерении центробежной силы вращающихся масс. На рис.25 представлены принципиальные схемы типичных измерительных органов датчиков частоты вращения. Измерительный орган должен содержать следующие основные элементы: чувствительный элемент 3, задающее устройство 1 (задатчик) и элемент сравнения 2 измеряемого и заданного регулируемых параметров.

Датчики, в которых измерительные элементы действуют по схеме, приведенной на рис.25,а, широко распространены, так как их легко можно регулировать. Изменением натяжения пружины 2, устанавливают требуемую частоту вращения. Недостаток такой кинематической схемы — чрезмерная нагруженность осей грузов 3. Такие чувствительные элементы применяют во всережимных регуляторах фирм «Вудвард», МАН и отечественных РН-30 и др.

На рис.25,б изображена кинематическая схема чувствительного элемента, в котором пружина 2 действует непосредственно на грузы 3. В такой схеме изменять натяжение пружины затруднительно, поэтому регуляторы в данном случае выполняют однорежимными. По этой схеме выполнены регуляторы двигателей ДРЗО/50-3 и фирмы «Бурмейстер и Вайн».

На рис.25,в приведена принципиальная кинематическая схема измерительного органа, в котором в качестве вращающихся масс используются шары 3. Их число колеблется от четырех до восьми. При такой компоновке пружину можно регулировать в широких пределах. Недостаток такой конструкции — между тарелками и шарами возникают значительные силы трения.

Какие гидродинамические датчики частоты вращения применяют в судовой практике?

Для измерения частоты вращения применяют чувствительные гидродинамические элементы.

Схема действия одного из вариантов гидравлического датчика приведена на рис.26,а. Одна шестерня 1 шестеренного насоса 2 соединена с валом механизма. Давление в цилиндре 3 и перемещение поршня пропорциональны частоте вращения вала. Датчик частоты вращения этого типа используется в регуляторе «Спидлок».

Кроме шестеренного насоса, для измерения частоты вращения применяют центробежные насосы 4 (импеллеры), которые преобразуют угловую скорость в давление (рис.26,б). Центробежные насосы получили распространение в качестве измерительных элементов в системах ограничения и регулирования турбоагрегатов.

Ч то представляют собой тахогенераторы?

Тахогенератор — это электрический генератор, преобразующий частоту вращения в электрический сигнал.

При управлении машинами на расстоянии целесообразно, чтобы в чувствительном элементе осуществлялось преобразование измеряемой величины в напряжение. Это достигается с помощью миниатюрных электрических генераторов переменного тока 5, в которых ротором является постоянный магнит 7, установленный неподвижно на валу, а статором — стальные неподвижные полосы 6 (рис.26,в).

Тахогенераторы постоянного тока вместо обмоток возбуждения имеют постоянные магниты. В результате большого количества ламе лей коллектора и особых форм вырезов канавок вырабатывается постоянное напряжение с небольшими пульсациями, которое пропорционально частоте вращения. Преимущество датчиков постоян­ного тока — получение поляризованного напряжения, т.е. одновременно определяется и направление вращения; недостаток — сбои в работе коллектора. Однако современные тахогенераторы имеют срок службы до 10 тыс.ч. Применяются они для измерения частоты вращения до 1500 об/мин. Передача от вала должна быть без скольжения (шестеренчатая, цепная).

В тахогенераторах переменного тока это возможно только при наличии двух обмоток со сдвигом фаз 90°. Переменное напряжение должно быть выпрямлено в мостиковой схеме. Разность напряжений обоих гальванически разделенных контуров измеряется прибором с двумя поворотными катушками.

Напряжение на выводах тахогенератора зависит от количества подключенных показывающих приборов. Поэтому в корпусе тахогенератора устанавливается нагрузочный резистор, который можно включать, или выключать. Имеется также резистор для поднастройки показаний.

Что представляет собой аналого-цифровой преобразователь частоты вращения?

В современных системах централизованного контроля угол поворота (частота вращения) преобразуется в цифровой код. В настоящее время разработано значительное количество преобразователей непрерывной величины (частоты вращения) в дискретный сигнал. Простейшим аналого-цифровым преобразователем, работающим по принципу счета, является датчик, основные части которого: диск из немагнитного материала с прорезями и трансформатор из двух половинок с обмотками. Если между двумя частями магнитопровода трансформатора находится прорезь диска, то магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, не экранируется, и в выходной обмотке будет наводиться ЭДС. При этом формируется кодовый сигнал, равный 1. Когда диск перекрывает магнитопровод трансформатора, магнитный поток ослабляется, и на выходе наблюдается минимальная электродвижущая сила (ЭДС), соответствующая коду «О». Подсчитывая импульсы, за единицу времени можно указать точно частоту вращения.

С вращающейся деталью соединено кольцо из ферромагнитного материала, имеющее вырез. Вблизи кольца устанавливается головка датчика с катушкой (рис.27,а,б). Благодаря вырезу магнитный поток Ф изменяется, вследствие чего в катушке датчика индуцируются импульсы напряжения. Частота импульсов равна частоте вращения детали. Амплитуда импульсов напряжения Va тем больше, чем меньше воздушный зазор между кольцом и датчиком и чем больше скорость прохождения выреза мимо головки датчика. Конструкция импульсного датчика показана на рис.28.

В место кольца с вырезом могут применяться шайбы с несколькими вырезами или кулачками, а также шестерни. Количество вырезов или кулачков выбирают в соответствии со значением измеряемой частоты вращения, чтобы со считывание импульсов было надежным, без «пропусков». Вырезы или кулачки располагают симметрично. Воздушный зазор принимают в диапазоне 0,3-0,8 мм.

Для определения направления вращения устанавливают два датчика таким образом, чтобы между фазами индуцируемых в них напряжений был сдвиг 90°.

Как действует импульсный датчик с колебательным контуром?

В магнитной головке датчика устанавливают колебательный контур, на обратную связь которого влияет магнитное прерываемое поле в воздушном зазоре. Когда в поле попадает предмет, обладающий электрической проводимостью, колебательный контур вырабатывает достаточную энергию для того, чтобы амплитуда колебаний уменьшилась до нуля. Падение напряжения, которое зависит от амплитуды колебаний, измеряется резистором. Период колебаний, вырабатываемых осциллятором (oт 100 кГц до нескольких МГц), настолько мал, что можно измерить импульсы частотой до нескольких килогерц. Можно и измерять частоту вращения до нулевого значения.

Работа датчика не зависит от магнитных свойств вращающейся детали. Можно использовать такие датчики и для измерения положения или угла.

Что представляет собой тахометр?

Тахометры позволяют определять частоту вращения (угловой скорости) вала. В зависимости от места их установки и способа применения тахометры подразделяют на стационарные, дистанционные и ручные. По принципу действия, различают магнитные, механические (центробежные), магнитно-индукционные, электрические и другие тахометры.

Рассмотрим магнитные тахометры типов ТМ и 8ТМ. Преобразование оборотов вала в угловое перемещение стрелки магнитно-индукционным измерительным узлом основано на взаимодействии магнитного поля вращающихся магнитов с индукционными токами, наведенными этим полем в чувствительном элементе.

При вращении вала тахометра 10 (рис.29,а) через конические шестерни 1 и 9 получает вращение магнитный узел 2. Образуется вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в чувствительном элементе 8 вихревые токи.

В результате взаимодействия магнитного поля вращающихся магнитов с индукционными токами чувствительного элемента возникает вращающий момент. Вращающему моменту чувствительного элемента 8 противодействует момент спиральной пружины 7, укрепленной на оси этого элемента. Так как момент спиральной пружины пропорционален углу ее закручивания, то угол поворота чувствительного элемента пропорционален частотам вращения магнитного узла и соответственно частотам вращения вала двигателя. На другом конце оси чувствительного элемента укреплена стрелка 5, показывающая по равномерной шкале 4 частоту вращения вала.

Для повышения устойчивости стрелки и получения отсчета показаний прибора применено демпфирование подвижной системы тахометра. При движении подвижной системы магнитный поток магнитов 6 наводит в алюминиевом диске демпфера 3 вихревые токи, в результате взаимодействия которых с магнитным потоком магнитов подвижная система получает тормозящий момент.

Тахометр типа 8ТМ отличается от тахометра типа ТМ тем, что у первого приводной валик расположен перпендикулярно циферблату. Элементы поз. 1, 9 и 10 в принципиальной схеме на 8ТМ отсутствуют.

Что представляет собой механический тахометр типа ТМи?

Тахометр типа ТМи представляет собой комплект, состоящий из датчика-генератора трехфазного тока и магнитно-индукционного измерителя. Тахометр предназначен для дистанционного измерения частоты вращения диска двигателя.

Дистанционное измерение частоты вращения основано на принципе электрической дистанционной передачи вращения вала двигателя валу магнитно-индукционно­го измерительного узла измерителя и преобразования частоты вращения вала в угловые перемещения стрелки измерителя.

Электрическая дистанционная передача частоты вращения в тахометре основана на ее преобразовании датчиком-генератором в ЭДС с частотой, пропорциональной частоте вращения вала, и на свойстве системы трехфазных токов создавать магнитное поле.

П реобразование частоты вращения вала в угловое перемещение стрелки магнитно-индукционным измерительным узлом основано на взаимодействии магнитного поля вращающихся постоянных магнитов с индукционными токами, наведенными этим полем в металлическом диске.

В результате этого взаимодействия возникает вращающий момент диска (связанного со стрелкой), уравновешиваемый пружиной. Момент пружины пропорционален углу его закручивания.

Тахометр работает следующим образом (рис.29,б): в обмотке статора 11 датчика при вращении ротора 15 возбуждается трехфазовый ток с частотой, пропорциональной частоте вращения вала двигателя. Ток по трем проводам приводится к обмотке статора 12 синхронного серводвигателя.

Частота вращения магнитного поля статора измерителя пропорциональна частоте токов в обмотках фазы. Ротор двигателя измерителя вращается с частотой, синхронной вращению магнитного поля статора. На конце вала ротора двигателя укреплен магнитный узел 2 с шестью парами постоянных магнитов, между полюсами которых расположен чувствительный элемент 8. При вращении магнитного узла в чувствительном элементе индуцируются вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнитного узла создается вращающий момент чувствительного элемента.

Вращающему моменту чувствительного элемента противодействует спиральная пружина 7, один конец которой укреплен на оси чувствительного элемента, другой — неподвижен. Так как момент спиральной пружины пропорционален углу ее закручивания, то угол поворота чувствительного элемента пропорционален частоте вращения магнитного узла, соответствует частоте вращения вала двигателя. На другом конце оси чувствительного элемента укреплена стрелка 5, показывающая по равномерной шкале 4 измерителя частоту вращения вала двигателя.

Для повышения устойчивости стрелки и улучшения отсчета показаний прибора применено демпфирование подвижной системы измерителя. При движении подвижной системы магнитный поток магнита 6 наводит в алюминиевом диске 3 вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитным полем магнитов, и в подвижной системе возникает тормозящий момент.






Ротор состоит из двух постоянных магнитов 13 и трех гистерезисных дисков 14, соединенных вместе. Взаимодействие ротора с магнитным полем статора определяется взаимодействием магнитных полей постоянных магнитов статора и гистерезисных дисков.

Что представляет собой тахометр типа К1803?

Тахометр К1803 — дистанционный, унифицированный, электронный, показывающей, аналоговый, с шкальным отсчетом, с выходным сигналом постоянного тока 0-10 В. Он имеет два класса точности:

1,0 — при работе с реверсивным валом;

1,5 — при работе с нереверсивным валом.

Тахометр может быть использован для определения частоты вращения вала диаметром 30-1125 мм; диапазон измерения 0-4000 об/мин. Тахометр обеспечивает безотказную работу 5000 ч без непосредственного обслуживания и контроля. В промежутках между периодами допускается обслуживание с использованием одиночного комплекта запасных инструментов и приспособлений без демонтажа, расцентровки и последующего регулирования основного оборудования.

Составные части тахометра: первичный преобразователь, промежуточный преобразователь, показывающий прибор, счетчик час­тоты вращения.

На рис.30 приведена схема установки первичных преобразователей 2 по отношению к ротору 1 тахометра. Зазор а не должен превышать 0,3 мм.

Для каких целей применяют счетчики частоты вращения, как они устроены?

При комплексной автоматизации судов возрастает значение учета и регистрации числа часов работы судовых систем и механизмов. Современный метод такого учета основан на использовании электронно-механических счетчиков.

Из числа отечественных, наиболее совершенным является счетчик СВН-2К (рис.31). Основной его узел — электронно-механический спусковой регулятор с механической колебательной системой. Она взаимодействует с электронной системой, поддерживающей автоколебания осциллятора. Структурно-функциональная схема счетчика состоит из следующих основных элементов: блока питания ВР, генератора импульсов ГИ, преобразователей напряжения П1 (напряжением 380 В) и П2 (27 В), задающего генератора Г, формирователя импульсов К, триггера Т, выходного каскада В, преобразователя (шагового двигателя Л1), редуктора Р, механизма отсчета МО, осциллятора Z.

Счетчик из взаимозаменяемых узлов скомпонован в одном корпусе. В блоке ВР находятся преобразователи напряжения источника питания в напряжение постоянного тока 12В. В механизм счетчика МС входят генератор импульсов ГИ, стабилизатор питания С, задающий генератор, формирователь импульсов, делитель частоты, выходной каскад. Составные части генератора ГИ размещены на трех печатных платах. Задающий генератор, выполненный на транзисторах, обеспечивает стабильные по длительности импульсы. С симметричного триггера Т на выходной каскад В поступают импульсы длительностью 0,04 с периодом колебаний 0,4 с.

Шаговый двигатель М преобразует элементарный сигнал разнополярных импульсов от выходного каскада электронного реле во вращательное движение вала ротора, являющегося приводом механизма счетчика МС. Механизм состоит из шести цифровых барабанчиков, так что диапазон измерения до 99999,9 с. Показатели считывают через смотровое стекло.

Датчики для измерения усилий и крутящего момента

Какие типы датчиков используются для измерения усилий, крутящего момента и мощности?

В судовых условиях часто возникает задача определения усилий, крутящего момента на валу и мощности. Для этой цели используются приборы, называемые торсиометрами. В качестве измерителей момента в них применяют фотоэлектрические, индуктивные и тензометрические датчики.

В чем заключается принцип действия фотоэлектрических датчиков?

П ринцип действия фотоэлектрических датчиков основан на измерении интенсивности светового потока, идущего от источника (рис.32) к фотоэлементу. Интенсивность пучка света, попадающего на приемник 3, зависит от угла скручивания вала и крутящего момента. Происходит это следующим образом: на валу 1 на расстоянии l насажаны два диска 2, отверстия 4 в которых совпадают, если вал не испытывает скручивания. В противном случае соосность отверстий нарушается, и поток света, идущий от лампы 5 к фотоэлементу 3, уменьшается. Вследствие чего изменяется сила тока на выходе фотоэлемента. Выходной сигнал с элемента 3 поступает в усилитель.

Что представляют собой тензодатчики?

Работа тензодатчика основана на свойстве металлической проволоки или фольги при растяжении или сжатии изменять свое электрическое сопротивление, он наклеивается на деталь машины и воспринимает ее деформацию. Отдельный тензодатчик измеряет растяжение только в одном направлении.

Для измерения четыре тензодатчика включаются по схеме моста таким образом, чтобы было сложение электрических сопротивлений.

Какие тензорезисторы находят применение в настоящее время?

Для увеличения чувствительности тензорезисторов выбирают материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности, большим удельным сопротивлением и малым поперечным сечением. Наиболее часто в тензорезисторах применяют константан. Он имеет незначительный температурный коэффициент сопротивления, что уменьшает погрешность, вызванную колебаниями температуры. В тензорезисторах, изготовленных из константана, в широком диапазоне сохраняется линейная зависимость между относительной деформацией и изменением сопротивления. Для работы при повышенных температурах рекомендуется изготовлять тензорезисторы из нихрома.

Т ензорезисторы могут быть выполнены из проволоки и фольги. Конструктивно проволочный тензорезистор (рис.33) представляет собой решетку из проволоки диаметром 0,01-0,05 мм, уложенную зигзагообразно на длине S₂ и ширине S₁ между двумя электроизоляционными подложками. К концам проволоки присоединены выводные концы. Электроизоляционные подложки выполняют из папиросной бумаги, лаковой пленки или цемента, скрепляемых между собой клеем, лаком или цементом. Зигзагообразную часть тензорезистора называют решеткой. Проволочные тензорезисторы выполняют сопротивлением 10-100 Ом. Они имеют размеры 2-100 мм.

На чем основано действие датчиков крутящего момента и мощности?

Все способы измерения крутящего момента основаны на измерении вызываемой им упругой деформации. Угол скручивания у цилиндра зависит от крутящего момента М, модуля упругости G и полярного момента инерции Iр:

Треугольник деформации ABB' показан на рис.34, где углы ,, — элементы треугольника деформации; Д очень мал, поэтому надо учитывать, что функция sin имеет максимумы при 45,135, 225 и 315°. Если тензодатчики расположить на валу под этими углами к оси вала, то они будут испытывать максимально возможное растяжение, поэтому измерение будет наиболее эффективным.

Диаметр и материал вала, т.е. полярный момент инерции Iр и модуль упругости G, определяются требованиями классификационного общества. Следовательно, выбору подлежит только длина участка l, на котором выполняется измерение. Ошибки измерения определяются неточностями определения диаметра вала и длины измерительного участка, но, в первую очередь, неопределенностью значения модуля упругости. Если значения модуля упругости находятся в пределах от 8,1-10,4 до 8,5-10,4 МПа, то максимальная погрешность составляет ±2,5 % (при температуре 20°С).

Какие требования предъявляются к датчикам крутящего момента?

К датчикам предъявляют следующие требования:

1) область измерения должна соответствовать рабочему диапазону значений крутящего момента,

2) изменение частоты вращения не должно влиять на измерения,

3) должно быть исключено влияние дополнительных напряжений сжатия, изгиба и центробежных сил.

Как устанавливать тензодатчики на малой длине измерительного участка?

Тензодатчики соединяются в схему моста, точки питания и диагонали которого выведены через коллекторные кольца 1 с щетками (рис.35). Расположение тензодатчиков 2 под углом 45° к оси вала практически компенсирует искажающее влияние изгиба, сжатия и температуры. Напряжение в диагонали моста 3 пропорционально крутящему моменту. Если одновременно измерять частоту вращения и ввести результаты обоих измерений в схему умножителя, то можно получить значения мощности на валу.

Как измерить крутящий момент на большой длине измерительного участка?

Н
а концах участка вала длиной L устанавливают два тахогенератора переменного тока по возможности с одинаковыми зависимостями напряжения от частоты вращения. Передаточное отношение i и число пар полюсов р также должны быть одинаковыми. Получают два напряжения, пропорциональные частоте вращения.

Угол между фазами этих напряжений φ пропорционален углу скручивания γ, а следовательно, и крутящему моменту.

С помощью уравнительного резистора оба напряжения приводятся к одинаковому значению u₁=u₂. Тогда при последовательном соединении (рис.36,а) получают дифференциальное напряжение

Uо=2u sin φ/2.

Для малых углов sin φ=φ, поэтому м_о=м_р (рис.36,б). Дифференциальное напряжение ид выражает передаваемую мощность.

Для измерения крутящего момента применяют схему, в которой индуктивная нагрузка L и резистор Ra включены последовательно (рис.37).

Считая, что Ra очень мало по сравнению с индуктивным сопротивлением Wi, получаем La=UoRa/w.

Напряжение пропорционально передаваемой мощности, т.е. U=kMw,

где k — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, напряжение Ua пропорционально крутящему моменту.

Как измерить крутящий момент при бесконтактном снятии сигналов?

Измерение крутящего момента при бесконтактном снятии сигналов с вала применяется в датчиках следующей конструкции. Две шестерни из ферромагнитного материала закрепляют на валу на расстоянии l друг от друга. В статорах находятся постоянные магниты с обмотками, полюсные башмаки которых имеют форму зубцов. Последовательно соединяя обмотки нескольких датчиков, установленных по периметру шестерен (см.рис.30), получают суммирование напряжений, индуктируемых при вращении шестерен. Затем суммарное напряжение преобразовывается в импульсы прямоугольной формы. Эти импульсы от обеих шестерен подаются в схему вычитания. В результате получаются прямоугольные импульсы, ширина которых пропорциональна фазовому углу, т.е. крутящему моменту. В схеме умножения вырабатывается напряжение, пропорциональное мощности.

Преимущество устройств с большой длиной измерительного участка заключается в том, что влияние модуля упругости учитывается на большом участке.

Что представляет собой магнитно-эластичные датчики?

П ринцип измерения основан на зависимости коэффициента проницаемости Хи ферромагнитного материала от механического напряжения. В направлении действия силы коэффициент проницаемости материала уменьшается, в перпендикулярном направлении немного увеличивается. При изменении направления силы на противоположное происходит обратное явление. На рис.38, а показано сечение магнитно-эластичного датчика по одной из пластин железа 1. Между отверстиями 2, через которые проходят витки обмоток, в направлении действия силы F образуется разгруженная зона.

Магнитный поток в этой области почти не изменяется. Элемент датчика, состоящий из железных пластин, имеет то преимущество, что обмотки пронизываются магнитным потоком по всей своей длине, и выходное напряжение не зависит от неравномерного распределения нагрузки. Первичная 1 и вторичная 2 (рис.38,б) обмотки выполнены таким образом, что при отсутствии действующих сил противоположно направленные магнитные поля компенсируют друг друга и на выходе получается нуль. При наличии сил магнитные линии изменяют свою форму, так как в горизонтальной области между отверстиями уменьшается относительная магнитопроницаемость. При наиболее высоких нагрузках поток, пересекающий вторичную обмотку, достигает почти 20% общего потока. Напряжение V во вторичной обмотке пропорционально действующей силе. У границы же диапазона измерений линейность этой зависимости нарушается. Напряжение достигает таких значений, что показывающие приборы могут не иметь усилителей.

Принципиальная схема включения датчика В приведена на рис.38,6.

Как устроены индуктивные датчики крутящего момента?

В индуктивных датчиках изменение сопротивления катушек в зависимости от угла скручивания является выходным сигналом прибора.

На рис.39 показана схема такого устройства. Вместе с валом 1 вращаются закрепленные на нем магнитопроводы 2,5,6. Индуктивные катушки 4 уложены в неподвижном сердечнике 3. Если вал не испытывает скручивания, то индуктивности L₁ и L₂ катушек, питающиеся переменным током, одинаковы. При передаче валом 1 крутящего момента зазоры между магнитопроводами 6 и 2 с одной стороны и магнитопроводами 6 и 5 — с другой становятся неодинаковыми, вследствие чего появляется разность индуктивностей L₁-L₂, что и является выходным сигналом.

Датчики для измерения перемещений

Для чего применяют потенциометрические преобразователи?

Потенциометрические преобразователи служат для преобразования углового или линейного перемещений в электрический сигнал. Наиболее часто применяют проволочные Потенциометрические преобразователи с непрерывной намоткой. Преобразователь (рис.40,а) имеет каркас 1, выполненный из листового изоляционного материала. На каркас в один слой наматывается изолированный провод 5 из высокоомного материала. По очищенной от и золяции контактной дорожке обмотки перемещается движок 4, выполненный в виде упругой пластины или нескольких проволочек различной длины, сложенных вместе. Движок соединен щеткой 3 с токосъемным кольцом 2.

На рис.40,6 показана схема простейшего преобразователя. Входной величиной преобразователя является линейное или угловое перемещение движка относительно начала обмотки потенциометра.

Как действуют индуктивные датчики перемещения?

М агнитный поток катушки проходит через железный сердечник 1, сердечник 3 и воздушный зазор 6. При перемещении сердечника изменяется воздушный зазор 6, а следовательно, и самоиндукция L катушки 2 (рис.41). Преимущество индуктивных датчиков — они не изнашиваются и имеют большую чувствительность. Основной недостаток — пропорциональная зависимость между изменением индуктивности ΔL и перемещением Δδ сохраняется только в определенных небольших пределах. В большинстве случаев применяют два индуктивных датчика с одним общим якорем. Датчики включены в мостовую цепь таким образом, что при увеличении самоиндукции одного датчика самоиндукция другого уменьшается (рис.42,а). Для измерения больших перемещений применяют цилиндрические реверсивные индуктивные преобразователи (рис.42,б). Магнитопровод преобразователя 2 изготовлен в виде цилиндрической трубки, которая вместе с двумя крышками 4 является ярмом. Якорь 3 имеет цилиндрическую форму. Диск 1 из ферромагнитного материала предназначен для увеличения магнитной проводимости. По обе стороны от диска установлены две цилиндрические катушки 5.

Как устроены трансформаторные преобразователи?

Цилиндрический дифференциально-трансформаторный преобразователь (рис.43) имеет три обмотки — первичную Wn и две вторичные W₁=W₂=Su, которые установлены на общем изоляционном каркасе 1.

Первичная обмотка, состоящая из двух последовательно включенных обмоток, уложена по всей длине преобразователя. Вторичные обмотки расположены одна в верхней, а другая в нижней части преобразователя и соединены между собой последовательно встречно. Такое расположение обмоток обеспечивает более равномерное распределение электромагнитного поля. Преобразователь имеет якорь 2 и магнитопровод 3 из листовой электротехнической стали. Обе детали имеют цилиндрическую форму.

В нейтральном положении якоря магнитные потоки, пронизывающие вторичные обмотки, равны. При этом выходное напряжение равно нулю. Перемещение якоря приводит к изменению магнитных потоков и наведению во вторичных обмотках трансформаторных ЭДС, не равных друг другу, а следовательно, к появлению выходного напряжения. С изменением направления перемещения якоря меняется фаза выходного напряжения на 180°.

Как действуют дифференциальные трансформаторные датчики?

П одвижной железный сердечник (рис.44,а,б) влияет на индуктивную связь между переменным напряжением U₁, подаваемым на первичную обмотку, и напряжениями, индуктируемыми в двух последовательно соединенных вторичных обмотках. При этом вторичные обмотки соединены таким образом, что индуктируемые в них напряжения U₂ и U₃ направлены в противоположные стороны. Когда сердечник или экран находится в нулевом положении (строго симметричном), то во вторичных обмотках напряжения U₂ и U₃ одинаковы по значению. При перемещении сердечника или экрана противоположно меняются амплитуды индуцируемых напряжений: одна амплитуда увеличивается, другая уменьшается. Выходное напряжение датчика (U₂ - U₃) пропорционально перемещению Δl.

Дифференциальные трансформаторные датчики могут применяться также для измерения угла поворота.

Датчики и приборы для измерения уровня жидкости

В каких емкостях на судне необходимо контролировать уровень жидкости?

Объектами измерения (контроля, сигнализации) уровня являются цистерны, танки, баки с топливом, водой и маслом, находящиеся под атмосферным давлением, и емкости под давлением при значительных температурах.

Какие датчики и приборы применяют для контроля за уровнем жидкости?

Для контроля за уровнем применяют водоуказательные стекла, устроенные в виде колонок, действующих по принципу сообщающихся сосудов.

Сниженные указатели уровня действуют по принципу измерения гидростатического давления столбов воды в конденсационном сосуде или в барабане котла с помощью V-образной трубки (дифференциальный манометр), заполненной цветной жидкостью, плотность которой больше плотности воды. Такой указатель уровня может быть установлен на значительном расстоянии от котла, что позволяет обеспечить дистанционное наблюдение за уровнем.

Регуляторы различают по способу измерения уровня и усиления.

Для измерения уровня применяют поплавковые, мембранные термогидравлические и другие преобразователи с электрическим выходным сигналом.

Какова область применения поплавковых датчиков уровня?

П оплавковый датчик уровня в условиях качки может давать ложные сигналы, поэтому его применение — системы сигнализации регуляторы прямого действия. Это связано с тем, что качество регуляторов уровня с чувствительными поплавковыми элементами (они бывают шарообразной или цилиндрической формы) невысоко из-за трения в сочленениях рычажной системы. Неточности в измерении уровня увеличиваются во время качки судна условиях вибрации.

На рис.45,а показана схема поплавкового датчика уровня. Выходным сигналом являются перемещение рычага 6 и усилие Q, развиваемое на конце рычага. Величины 6 и Q пропорциональны уровню в емкости.

Место выхода рычага из емкости обычно уплотняют с помощью сильфона.

Как действуют мембранные датчики уровня, и каковы их особенности?

Для измерения уровня часто используют мембранные датчики (рис.45,б). С помощью мембраны 5 измеряется высота столба жидкости в трубах 3 и 4. В трубе 3 высота столба воды постоянная. Она зависит от среза трубы в конденсационном сосуде 1. В трубе 4 согласно принципу сообщающихся сосудов устанавливается уровень, одинаковый с уровнем в барабане котла. Таким образом, мембрана 5 находится под действием разности столбов, пропорциональной изменению уровня в барабане 2. Эти измерители уровня сконструированы так, что примерно 80% усилия, развиваемого мембраной, уравновешивается грузом 6, а оставшиеся 20% — пружиной. Кроме того, что груз уравновешивает значительную часть усилия, он компенсирует изменение столбов жидкости при качке.

Если вертикальная ось конденсационного сосуда 1 совмещена с осью симметрии емкости, это уменьшает влияние качки. С помощью конденсационного сосуда можно измерять уровень в емкостях, содержащих жидкость и ее пары (в коллекторах котлов, деаэраторах). Сосуд устанавливают выше измеряемого уровня и не изолируют. Если температура окружающей среды такова, что поступающие в конденсационный сосуд пары не конденсируются, сосуд следует охлаждать. Для этой цели его обвивают змеевиком, по которому пропускают воду.

Мембранный измеритель уровня имеет высокую чувствительность (примерно 9,8 Па). Однако при установке необходимо учитывать инерцию присоединенных движущихся масс жидкости и груза и жидкостное трение в импульсных трубках. Несмотря на это, мембранные измерители уровня получили наиболее широкое распространение на судах отечественной постройки.

Перед вводом в действие котла импульсную систему чувствительного элемента, включая его корпус, заполняют холодной водой через пробку в конденсационном сосуде, чтобы под воздействием котельного давления мембрана не была порвана. Все импульсные трубки, сообщающие конденсационный сосуд с барабаном котла и корпусом чувствительного элемента, должны прокладываться с постоянным уклоном не менее 1:10, чтобы исключить застой пузырьков воздуха в трубах.

В емкостях с низким давлением, например в конденсаторах, постоянный уровень можно получить при помощи трубки 7 (рис.45,в), помещенной внутри емкости выше уровня жидкости. Через трубку непрерывно протекает вода из внешнего источника. Расход воды должен быть небольшим, чтобы свести к минимуму динамическую составляющую давления на мембрану чувствительного элемента, нагруженную давлением столба жидкости в трубке.

Воду к трубке можно подвести из напорного конденсатного трубопровода.

Как действуют мембранные датчики уровня с электрическим выходным сигналом?

Д ля измерения уровня на судах широко используются мембранные датчики, в которых линейное перемещение преобразуется в электрический сигнал. Рассмотрим пневмоэлектрический датчик уровня (рис.46). Датчик имеет две мембранные коробки 2, состоящие из двух одинаковых мембран, соединенных по диаметру. Мембранные коробки сообщаются между собой с помощью капиллярной трубки 3. Под действием давления столба жидкости нижняя мембранная коробка сжимается, вследствие чего происходит выдавливание воздуха через капиллярную трубку в верхнюю мембранную коробку. Давление в этой коробке повышается, и она расширяется. Деформация мембранной коробки происходит до тех пор, пока давление воздуха не уравновесится силой упругости мембран.

К верхней мембранной коробке прикреплен якорь 1 дифференциального трансформаторного преобразователя. При деформации коробки якорь перемещается, поэтому выходное напряжение преобразователя будет определяться уровнем контролируемой жидкости.

Какие датчики уровня распространены на судах с автоматизированным управлением?

На суднах с автоматизированным управлением, особенно без постоянной вахты в машинном отделении, применяют автоматическое поддержание уровня во многих емкостях, например в расходных цистернах топлива. При этом обычно используют поплавковые реле. Большое распространение на судах иностранной постройки нашли поплавковые реле уровня фирм «Мобрей» и «Беста», а также типа CPM-2S.

Что представляет собой реле уровня фирм «Мобрей» и «Беста»?

Реле уровня «Мобрей» (рис.47,а) состоит из следующих основных частей: 1 - поплавка, изготовленного из металла монель; 2 - магнита подвижного 4 и неподвижного 6 контактов. В корпусе 3 на керамическом основании 5 выполнен механизм переключения. Крышка 7 изготовлена из алюминиевого сплава.

Основным преимуществом данного реле является то, что поплавковая часть отделена от контактной. Эти части механически не связаны. Постоянные магниты в поплавковой и контактной частях находятся в кожухах из немагнитного материала. Магниты установлены так, что одинаковые полюсы находятся один против другого, и потому отталкиваются. В положении, показанном на рис.47,а, поплавок находится внизу, правый конец магнита 2 поднят, левый конец магнита в контактной части опущен, и верхние контакты замкнуты. Когда шток поплавка проходит среднюю линию, подвижной контакт размыкает один неподвижный контакт и замыкает другой.

Н а рис.47,б приведены схема и размерные характеристики реле «Мобрей», а в табл.5 их значения. Уровень регулирования можно установить, размещая ограничители. При техническом обслуживании реле уровня необходимо осматривать и очищать. Для этого отключают подачу тока и изолируют концы, снимают выключатель в резервуаре или камере, удаляют осадок, отложения, а с магнита поплавка — нагоревшие металлические частицы.

Н а рис.48,а приведены раз­мерные характеристики реле уровня «Беста», аналогичного реле «Мобрей», в табл.6 — численные значения характеристик. На рис.48,б показаны внешние виды двух модификаций реле.

Какое назначение поплавкового реле типа CPM-2S?

Датчик поплавково-магнитный с удлиненным ходом типа CPM-2S (рис.49) служит для сигнализации уровня жидкостей, в том числе топлива и масла, в открытых и напорных резервуарах, а также в паровых котлах во взрывобезопасной атмосфере (относится к окружающей среде резервуара).

Датчик поплавково-магнитный CPM-2S состоит из следующих основных узлов: поплавка, контактного триггера, корпуса. Поплавок в виде плотного сосуда круглого сечения соединен шарнирно при помощи рычага с кронштейном, в котором установлены плотно постоянные магниты. Этот узел крепится при помощи оси в той части корпуса, которая находится внутри резервуара. Штифты, установленные в кронштейне, позволяют четырех ступенчато изменять ход поплавка.

Рычаг является сменным элементом. Удлиняя рычаг, увеличивают ход поплавка, сокращая, — уменьшают. Наружная часть корпуса представляет собой камеру, отделенную тонкой стенкой от резервуарной части. В камере находится в изоляционной колодке узел контактного триггера.

Что представляет собой уровнемер АТМ?

Уровнемер АТМ предназначен для дистанционного замера уровня в судовых танках. Принцип действия — гидростатический. Прибор можно использовать для следующих жидкостей: морской и пресной воды, дизельного и тяжелого топлива, смазочного масла.

Система АТМ состоит из двух объединенных блоков. Индикаторный блок включает в себя измерительный элемент, мембрану с механической защитой от избыточного давления; регулировку нулевой точки на лицевой панели прибора; шкалу, указывающую уровень, объем или массу. Блок управления состоит из блочного регулятора постоянного расхода воздуха, винта регулировки количества воздуха, продувочного вентиля и штуцера питания, индикации и контроля.

Уровнемер АТМ может работать в диапазоне рабочих давлений 0,1-3,0 МПа и при погрешности измерения ±1% максимального уровня.

Д ля работы уровнемера требуется рабочий воздух в количестве 0,5л\мин при давлении 5,0 МПа.

Как действует индуктивный поплавковый датчик уровня?

Схема датчика рассматриваемого типа показана на рис.50. Датчик имеет поплавковую камеру 2, выполненную из немагнитной стали. Камера соединяется с резервуаром, уровень жидкости в котором контролируется. Снаружи поплавковой камеры расположены две катушки 1, имеющие коническую форму. Внутри нее находится, сферический поплавок 3 из магнитной стали, который перемещается в зависимости от уровня жидкости в камере. Перемещение поплавка приводит к изменению индуктивностей L₁ и L₂ катушек. Благодаря пружинным кольцам 4 поплавок не может выйти из зоны катушек. Коническая форма катушек позволяет получить линейный закон изменения их индуктивностей при перемещениях поплавка. Рассмотренный датчик представляет собой реверсивный индуктивный преобразователь. Индуктивные поплавковые датчики нашли применение в автоматических системах измерения и поддержания уровня жидких хладагентов судовых холодильных установок. Диапазон измерения уровня жидкости равен 0,4 метра.

Что представляет собой поплавковое реле ПРУ-5М?

П ринцип работы реле основан на получении сигнала небаланса моста переменного тока при изменении индуктивного сопротивления катушек датчика, включенных в плечи моста преобразователя 4 (рис.51). Индуктивное сопротив­ление катушек изменяется сферическим сердечником-поплавком 3, свободно перемещающимся вместе с уровнем жидкости в поплавковой камере датчика, которая может быть отключена от резервуара 1 с помощью клапана 2. Поплавковая камера по принципу сообщающихся сосудов соединяется с резервуаром 1, в котором контролируется уровень жидкости. Состояние контакта выходного реле зависит от положе­ния уровня контролируемой жидкости.

Во всех случаях, когда контролируемая жидкость находится выше верхнего уровня срабатывания, выходное реле включено, если же жидкость опускается ниже нижнего уровня срабатывания, выходное реле выключено. Если уровень жидкости находится между верхним и нижним уровнями срабатывания, то выходное реле может быть включено или выключено. Это зависит от положения предшествующего уровня контролируемой жидкости.

Периодически через 5тыс.ч эксплуатации (или 2 раза в год) рекомендуется производить следующие работы:

• 
  снаружи осматривать реле уровня;
  
• 
  проверять сопротивление изоляции;
  
• 
  заменять поплавок и прокладку в контр фланцах (при необходимости);
  
• 
  чистить поплавковую камеру датчика;
  
• 
  проверять состояние контактов выходного реле (при необходимости — зачищать), деталей (качество поверхностей и зазоров), обеспечивающих взрывобезопасность, отсутствие забоин и царапин на взрывозащитных поверхностях, заземление, крепление крышки, уплотнение ввода кабеля; зазоры между контактами колодки, выводами преобразователя 4 и усилителя 5.
  

Какие характеристики полупроводниковых реле типа ПРУ?

Наряду с механическими и электромеханическими реле в судовых установках применяют полупроводниковые и электронные реле.

Ряд полупроводниковых реле типа ПРУ используют в качестве сигнализаторов уровня, которые имеют следующие характеристики:

погрешность срабатывания +15 мм, потребляемую мощность 5 Вт, массу 3-12 кг, температуру контролируемой среды — 70-180°С.

Как действует система индикации уровня СУМ-21?

Система индикации СУМ-21 предназначена для измерения уровня в грузовых танках судна и емкостях на берегу, в которых могут быть помещены такие жидкости, как сырая нефть, нефтепродукты, вода и другие, радиолокационным методом. С помощью СУМ-21 данные показываются на стрелочном приборе и передаются на другие блоки. Систему можно устанавливать на палубе, поэтому ее техническое обслуживание не вызывает трудностей.

Система индикации уровня СУМ-21 не должна иметь контакта с измеряемым веществом. Ультразвуковой метод дает ограниченную точность, потому что скорость звука меняется в зависимости от температуры среды и смеси газов в среде. Для оптического метода требуется прозрачная среда, что не всегда можно обеспечить. Радиолокационный метод не зависит от температуры, состава, давления среды. Отражение происходит на самой поверхности независимо от состава жидкости и плотности.

Из каких компонентов состоит система СУМ-21?

С истема СУМ-21 состоит из 38 датчиков и центрального устройства. Датчики монтируются на фланце крышки танка и соединяются с центральным устройством кабелем. Каждый датчик подсоединен своим кабелем. Электроника датчиков собирается в заменяемых прочных кассетах. В датчике радиолокационный передатчик направляет луч на поверхность жидкости, от которой он отражается и улавливается системой. Расстояние измеряется методом частотно-модулированной непрерывной волны, который часто используется в радиолокаторе. Радиолокационный передатчик дает выходной сигнал с постоянной амплитудой, но переменной частотой.

В микро ЭВМ вычисляется частное между двумя импульсными частотами. Далее оно пересчитывается на незаполненный объем танка, и результат представляется цифрами и в аналоговом виде. Шкалы показывающего прибора имеют деление 1 м в диапазоне 0-30 м или 0,1 м в диапазоне 0-3 м. Максимальная погрешность составляет ±(5+H/2000)мм,

где Н — расстояние

антенна — поверхность жидкости, мм.

Скорость измерения на стоянке 50 раз/мин, во время шторма на море она снижается.

Как используется свойство электропроводимости жидкости для измерения уровня?

Свойство электропроводимости жидкости используется только в сигнализаторах предельных значении уровня. Ограниченная область применения объясняется тем, что в судовых условиях трудно избежать загрязнения зонда, что значительно изменяет сопротивление между чувствительным элементом и стенкой резервуара.

Применяются ли емкостные датчики для измерения уровня?

Емкостные датчики нашли широкое распространение для измерения уровня жидкости в танках. Датчик может иметь один или два электрода, в последнем случае роль одного электрода играет стенка танка. Второй электрод должен быть изолирован от токопроводящей жидкости. Принцип действия датчика основан на изменении емкости пластинчатого конденсатора в зависимости от расстояния (в данном случае уровня) между электродами.

Как действует схема измерения уровня, в которой используется свойство электропроводимости жидкости?

Для измерения уровня используется мостиковая схема (рис.52). В генераторе частоты 1 вторичная обмотка трансформатора, разделенная на две симметричные части, образует одну ветвь моста.

Во второй ветви находится конденсатор С и измерительного зонда 3 и нормальный Сн конденсатор. Последний подбирается так, чтобы его емкость равнялась емкости конденсатора зонда,

В схему включен блок питания 2. По мере увеличения уровня в танке напряжение в диагонали моста будет возрастать пропорционально уровню. В случае, если уровень должен измеряться непрерывно, зонд располагают по всей высоте танка. Для сигнализации предельных значений зонды располагаются горизонтально на заданных уровнях. Напряжение датчика зависит от диэлектрических свойств материала, поэтому данный зонд следует применять только для одной жидкости. В танках, где сорт жидкости может меняться, для каждой жидкости предусматривают свой зонд.

Часто ли применяют датчики уровня с радиоактивными изотопами?

Датчики с радиоактивными изотопами (-излучение) применяют редко, так как они дороги и при работе с ними необходимы средства защиты. Принцип действия датчиков основан на поглощении излучения в зависимости от толщины слоя.

Датчики с лотом (поплавком), имеющим моторный привод, дают очень точное измерение, но наличие многих подвижных частей может снизить эту точность.

Каковы параметры сигнализатора уровня жидких диэлектрических сред типа СУС-16?

Параметры сигнализатора уровня типа СУС-10 следующие:

температура контролируемой среды от -100 до +100°С при давлении 4 МПа; длина погружаемой части первичного преобразователя 0,1; 0,25; 0,6; 1,0; 1,6; 2,0 м;

потребляемая мощность не более 15ВА;

диэлектрическая проницаемость (относительная) контролируемой среды 2.