КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
4.10. Счетчики штучных изделий В пищевой промышленности широко применяются средства измерений, предназначенные для автоматического учета (счета) штучных изделий в виде отдельных единиц готовой продукции (булок, батонов) или контейнеров (бутылок, ящиков, коробок), заполненных пищевым продуктом и передвигаемых транспортерными лентами или другими устройствами. Подобные средства измерений подразделяются на две большие группы – контактные и бесконтактные счетчики штучных изделий. В качестве чувствительных элементов контактных счетчиков используются различные подвесные заслонки или лепестки, звездочки, турникеты и т. п. механические устройства, которые приводятся в движение от воздействия на них учетных единиц продукции. 141 Рис 4.10. Структурная схема механического счетчика штучных изделий На рисунке 4.10 приведена структурная схема механического счетчика со звездочкой 1, имеющей шесть пальцев и жестко закрепленной на валу 2. На конце вала укреплена шестигранная втулка 4, фиксирующая каждое из шести положений вала и взаимодействующая с прерывателем 5, соединенным рычагом со счетным механизмом 3. Движущиеся с помощью транспортера 6 единицы продукции 7 наталкиваются на пальцы звездочки и поворачивают ее вместе с валом, тем самым производя отсчет на единицу. Для электрической передачи показаний на валу счетчика может устанавливаться кулачок, который, воздействуя на микропереключатель, фиксирует прохождение через счетчик каждой учетной единицы продукции. Выходные контакты микропереключателя электрически соединяются со счетчиком единичных электрических импульсов. Вместо звездочки на валу могут быть укреплены качающаяся заслонка или чувствительный элемент другого вида, которые при каждом отклонении их движущейся учетной единицей продукции изменяют показание счетчика на единицу. Для измерения производительности некоторых агрегатов пищевой промышленности могут использоваться приборы, измеряющие угловую скорость вращающихся частей (рабочих органов), – тахометры. Существует большое число тахометров, основанных на различных принципах действия: центробежные, электрические, магнитоиндукционные, фотоэлектрические, резонансные, стробоскопические и др. Бесконтактные счетчики, в которых отсутствует непосредственный контакт чувствительного элемента с учитываемой продукцией, являются более надежными устройствами для учета штучных изделий. В пищевой промышленности широко 142 применяются фотоэлектрические счетчики, в которых в качестве чувствительного элемента используется фотоэлемент, периодически освещаемый источником света, перекрываемого проходящими между фотоэлементом и источником света учетными единицами продукции. Возникающие при этом электрические импульсы усиливаются с помощью электронного усилителя и подаются на электрический счетчик. По аналогичной схеме работают радиоизотопные и рентгеновские счетчики, основанные на поглощении ионизирующего или рентгеновского излучения предметом, проходящим между источником и приемником излучения. Радиоизотопный релейный счетчик (рис. 4.11) предназначен для учета различных по форме и габаритам предметов 2, движущихся по конвейеру или другому транспортирующему устройству 3. При этом ионизирующее β–излучение от источника 1 поглощается или ослабляется, что воспринимается приемником излучения 4. Этот сигнал с помощью релейного блока 5 преобразуется в единичные электрические импульсы, которые отсчитываются и суммируются быстродействующим импульсным счетчиком 6. Рисунок 4.11. Структурная схема радиоизотопного релейного счетчика 4.11. Особенности использования приборов для измерения расходов газов и жидкостей В настоящее время потребности пищевой промышленности в приборах для измерения расхода, массы и объема различных пищевых продуктов удовлетворяются в основном общепромышленными приборами и устройствами. Имеется также большая номенклатура приборов и устройств, предназначенных для измерения расхода пищевых продуктов, в конструкциях которых учитываются специфические свойства последних. В частности, широкое применение находят автоматические взвешивающие и дозирующие устройства для сахара–песка, круп, какао–порошка, кофе и других сыпучих материалов. 143 Выпускаются специальные приборы для измерения расхода, массы и объема жидких пищевых продуктов: молока, растительных масел, виноматериалов и т. п. По принципу действия специальные приборы аналогичны общепромышленным, но их конструкция учитывает некоторые специфические требования: возможность быстрой чистки и мойки (желательно безразборной), отсутствие застойных зон и т. п. Кроме того, при изготовлении таких приборов должны использоваться материалы, не подверженные коррозионному или химическому воздействию со стороны продукта. В качестве материалов часто используются нержавеющие стали, специальные сорта стекла, пластмассы, а также футеровочные материалы (эмали, фторопласты и т. п.), которыми покрываются поверхности приборов, находящиеся в непосредственном контакте со средой. Приборы для измерения расхода, массы или объема пищевых продуктов должны обладать высокой точностью и надежностью измерения, т. к. большинство измерений являются учетно–отчетными и на основании их производятся приемка и сдача исходного сырья или готового продукта. В последнее время широкое распространение приобретают методы и приборы, в которых отсутствуют движущиеся элементы или дросселирующие устройства. Так, с помощью индукционных расходомеров можно производить измерение вязких, быстрокристаллизующихся и сильно загрязненных жидкостей, растворов и пульп, а также патоки, жидких дрожжей, осахаренной массы и др. Для измерения расхода очень вязких продуктов типа опары, теста, конфетной массы, фруктово–ягодных начинок и т. п. весьма перспективно применение тепловых и акустических расходомеров. Однако эти расходомеры применительно к пищевой промышленности серийно не выпускаются. При использовании общепромышленных расходомеров и ротаметров следует предусматривать необходимость частой их разборки для очистки чувствительных элементов и поплавков от осаждающихся на них твердых веществ. Приборы и устройства для автоматического счета штучных изделий, несмотря на кажущуюся простоту и доступность, не получили еще достаточно широкого распространения из–за отсутствия счетчиков, отличающихся высокой надежностью, быстродействием, избирательностью и т. п. Ввиду важности измерения расхода пищевых продуктов требуется разработка новых унифицированных приборов, отличающихся повышенной точностью и надежностью. Перспективными в этом отношении являются приборы, основанные на бесконтактных 144 методах, – вихревые, электромагнитные, акустические и др., а для измерения расхода очень вязких продуктов – тепловые. Нормальная эксплуатация всех типов приборов возможна лишь при соблюдении правил эксплуатации, основными из которых являются: отсутствие значительных пульсаций давлений в трубопроводах, сильных вибраций и ударов; поддержание температуры и давления измеряемой среды в допустимых пределах; плавное включение потоков при пуске приборов во избежание динамических ударов потока; соответствие плотности и вязкости измеряемой среды градуировочным. 145 5. ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН 5.1. Электрические измерения Измерение электрических величин, таких как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность производятся с помощью различных средств измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с). 5.2. Эталоны единиц электрических величин Электрическое измерение – это нахождение (экспериментальными методами) значения физической величины, выраженного в соответствующих единицах (например, 3 А, 4 В). Значения единиц электрических величин определяются международным соглашением в соответствии с законами физики и единицами механических величин. Поскольку «поддержание» единиц электрических величин, определяемых международными соглашениями, сопряжено с трудностями, их представляют «практическими» эталонами единиц электрических величин. Такие эталоны поддерживаются государственными метрологическими лабораториями разных стран. Например, в США юридическую ответственность за поддержание эталонов единиц электрических величин несет Национальный институт стандартов и технологии. Время от времени проводятся эксперименты по уточнению соответствия между значениями эталонов единиц электрических величин и определениями этих единиц. В 1990 государственные метрологические лаборатории промышленно развитых стран подписали соглашение о согласовании всех практических эталонов единиц электрических величин между собой и с международными определениями единиц этих величин. Электрические измерения проводятся в соответствии с государственными эталонами единиц напряжения и силы постоянного тока, сопротивления постоянному току, индуктивности и емкости. Такие эталоны представляют собой устройства, имеющие стабильные электрические характеристики, или установки, в которых на основе некоего физического явления воспроизводится электрическая величина, вычисляемая по известным значениям 146 фундаментальных физических констант. Эталоны ватта и ватт–часа не поддерживаются, так как более целесообразно вычислять значения этих единиц по определяющим уравнениям, связывающим их с единицами других величин. 5.3. Измерительные приборы Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы – ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые. 5.4. Цифровые приборы Во всех цифровых измерительных приборах (кроме простейших) используются усилители и другие электронные блоки для преобразования входного сигнала в сигнал напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму аналого–цифровым преобразователем (АЦП). Число, выражающее измеренное значение, выводится на светодиодный (СИД), вакуумный люминесцентный или жидкокристаллический (ЖК) индикатор (дисплей). Прибор обычно работает под управлением встроенного микропроцессора, причем в простых приборах микропроцессор объединяется с АЦП на 147 одной интегральной схеме. Цифровые приборы хорошо подходят для работы с подключением к внешнему компьютеру. В некоторых видах измерений такой компьютер переключает измерительные функции прибора и дает команды передачи данных для их обработки. Аналого–цифровые преобразователи Существуют три основных типа АЦП: интегрирующий; последовательного приближения; параллельный. Интегрирующий АЦП усредняет входной сигнал по времени. Из трех перечисленных типов это самый точный, хотя и самый «медленный». Время преобразования интегрирующего АЦП лежит в диапазоне от 0,001 до 50 с и более, погрешность составляет 0,1…0,0003%. Погрешность АЦП последовательного приближения несколько больше (0,4…0,002%), но зато время преобразования – от 10 мкс до 1 мс. Параллельные АЦП – самые быстродействующие, но и наименее точные: их время преобразования порядка 0,25 нс, погрешность – от 0,4 до 2%. Методы дискретизации Сигнал дискретизируется по времени путем быстрого измерения его в отдельные моменты времени и удержания (сохранения) измеренных значений на время преобразования их в цифровую форму. Последовательность полученных дискретных значений может выводиться на дисплей в виде кривой, имеющей форму сигнала; возводя эти значения в квадрат и суммируя, можно вычислять среднеквадратическое значение сигнала; их можно использовать также для вычисления времени нарастания, максимального значения, среднего по времени, частотного спектра и т.д. Дискретизация по времени может производиться либо за один период сигнала («в реальном времени»), либо (с последовательной или произвольной выборкой) за ряд повторяющихся периодов. Цифровые вольтметры и мультиметры Цифровые вольтметры и мультиметры измеряют квазистатическое значение величины и указывают его в цифровой форме. Вольтметры непосредственно измеряют только напряжение, обычно постоянного тока, а мультиметры могут измерять напряжение 148 постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление постоянному току и иногда температуру. Эти самые распространенные контрольно–измерительные приборы общего назначения с погрешностью измерения от 0,2 до 0,001% могут иметь 3,5– или 4,5– значный цифровой дисплей. «Полуцелый» знак (разряд) – это условное указание на то, что дисплей может показывать числа, выходящие за пределы номинального числа знаков. Например, 3,5–значный (3,5–разрядный) дисплей в диапазоне 1…2 В может показывать напряжение до 1,999 В. Измерители полных сопротивлений Это специализированные приборы, измеряющие и показывающие емкость конденсатора, сопротивление резистора, индуктивность катушки индуктивности или полное сопротивление (импеданс) соединения конденсатора или катушки индуктивности с резистором. Имеются приборы такого типа для измерения емкости от 0,00001 пФ до 99,999 мкФ, сопротивления от 0,00001 Ом до 99,999 кОм и индуктивности от 0,0001 мГ до 99,999 Г. Измерения могут проводиться на частотах от 5 Гц до 100 МГц, хотя ни один прибор не перекрывает всего диапазона частот. На частотах, близких к 1 кГц, погрешность может составлять лишь 0,02%, но точность снижается вблизи границ диапазонов частоты и измеряемых значений. Большинство приборов могут показывать также производные величины, такие, как добротность катушки или коэффициент потерь конденсатора, вычисляемые по основным измеренным значениям. 5.5. Аналоговые приборы Для измерения напряжения, силы тока и сопротивления на постоянном токе применяются аналоговые магнитоэлектрические приборы с постоянным магнитом и многовитковой подвижной частью. Такие приборы стрелочного типа характеризуются погрешностью от 0,5 до 5%. Они просты и недороги (например, автомобильные приборы, показывающие ток и температуру), но не применяются там, где требуется сколько–нибудь значительная точность. Магнитоэлектрические приборы В таких приборах используется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части, стремящаяся повернуть последнюю. Момент этой силы уравновешивается моментом, создаваемым противодействующей пружиной, так что 149 каждому значению тока соответствует определенное положение стрелки на шкале. Подвижная часть имеет форму многовитковой проволочной рамки с размерами от 3ґ5 до 25ґ35 мм и делается как можно более легкой. Подвижная часть, установленная на каменных подшипниках или подвешенная на металлической ленточке, помещается между полюсами сильного постоянного магнита. Две спиральные пружинки, уравновешивающие крутящий момент, служат также токопроводами обмотки подвижной части. Магнитоэлектрический прибор реагирует на ток, проходящий по обмотке его подвижной части, а потому представляет собой амперметр или, точнее, миллиамперметр (так как верхний предел диапазона измерений не превышает примерно 50 мА). Его можно приспособить для измерения токов большей силы, присоединив параллельно обмотке подвижной части шунтирующий резистор с малым сопротивлением, чтобы в обмотку подвижной части ответвлялась лишь малая доля полного измеряемого тока. Такое устройство пригодно для токов, измеряемых многими тысячами ампер. Если последовательно с обмоткой присоединить добавочный резистор, то прибор превратится в вольтметр. Падение напряжения на таком последовательном соединении равно произведению сопротивления резистора на ток, показываемый прибором, так что его шкалу можно проградуировать в вольтах. Чтобы сделать из магнитоэлектрического миллиамперметра омметр, нужно присоединять к нему последовательно измеряемые резисторы и подавать на это последовательное соединение постоянное напряжение, например от батареи питания. Ток в такой схеме не будет пропорционален сопротивлению, а потому необходима специальная шкала, корректирующая нелинейность. Тогда можно будет производить по шкале прямой отсчет сопротивления, хотя и с не очень высокой точностью. Гальванометры К магнитоэлектрическим приборам относятся и гальванометры – высокочувствительные приборы для измерения крайне малых токов. В гальванометрах нет подшипников, их подвижная часть подвешена на тонкой ленточке или нити, используется более сильное магнитное поле, а стрелка заменена зеркальцем, приклеенным к нити подвеса (рис. 5.1). Зеркальный гальванометр измеряет ток, проходящий через обмотку его подвижной части, помещенной в магнитное поле, по отклонению светового зайчика: зеркальце поворачивается вместе с подвижной частью, а угол его поворота оценивается по смещению отбрасываемого им светового зайчика на шкале, установленной 150 на расстоянии около 1 м. Самые чувствительные гальванометры способны давать отклонение по шкале, равное 1 мм, при изменении тока всего лишь на 0,00001 мкА. Рисунок 5.1. Зеркальный гальванометр: 1 – подвес; 2 – зеркальце; 3 – зазор; 4 – постоянный магнит; 5 – обмотка подвижной части; 6 – пружинка подвеса |