учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
ТЕМА№ 2 Измерительные преобразователи и средства измерений § 2.1. Классификация измерительных преобразователей Устройства этой группы Государственной системы при- боров (ГСІІ) должны реагировать на изменения контроли- руемого параметра и выдавать на выходе унифицирован- ный сигнал. Преобразователи, входящие в эту группу в со- ответствии с РМГ 29-2013 ГСИ, можно подразделить на первичные измерительные преобразователи, масштабные измерительные преобразователи, нормирующие и переда- ющие измерительные преобразователи (два последних здесь не рассматриваются). Первичный измерительный преобразователь переводит контролируемый параметр в выходную физическую величи- ну (перемещение, усилие, сопротивление, напряжение, силу тока, частоту). Выходная физическая величина, полученная из контролируемой простым — «естественным» — преобра- зованием, называется естественной выходной величиной (или естественным выходным сигналом). Нормирующий преобразователь переводит естественный выходной сигнал в унифицированный. Если на выходе пер- вичного измерительного преобразователя, чувствительный элемент которого непосредственно воспринимает изменения контролируемого параметра, выдается пневматический или электрический сигнал, то нормирующий преобразователь обычно представляет собой отдельное самостоятельное устройство. Если же первичный преобразователь выдает сигнал в виде усилия, перемещения или какой-нибудь дру- гой физической величины, по своей природе отличающейся от электрической или пневматической, то измерительный 18 и нормирующий преобразователи объединяют конструктив- но в один прибор. Оба решения находят широкое примене- ние в практике создания преобразователей для систем авто- матизации. В системе ГСП разработан унифицированный ряд взаимозаменяемых пневматических и электрических первичных преобразователей блочного типа с силовой ком- пенсацией. Используя этот ряд преобразователей, можно значительное количество различных измеряемых параметров сравнительно просто и с достаточной точностью преобразо- вать в одну естественную выходную величину — усилие. Пневматические первичные измерительные преобразова- тели имеют выходной сигнал 0,02–0,1 МПа (0,2–1,0 кгс/см 2 ), электрические — 0–20 и 0–5 мА постоянного тока. Компен- сационный принцип действия этих преобразователей обеспе- чивает их высокие метрологические характеристики и про- стоту перенастройки в большом интервале пределов измере- ний. Каждый первичный преобразователь состоит из унифи- цированного электрического или пневматического преобра- зователя усилия и измерительного блока. Класс точности унифицированных преобразователей в основном 0,6 или 1,0, и лишь для некоторых 1,6 и 2,5. § 2.2. Электрические измерительные преобразователи Из электрических аналоговых преобразователей, выпол- няемых по схеме компенсации перемещений для преобразо- вания неэлектрических величин в электрический выходной сигнал и передачи показаний на расстояние, наибольшее применение нашли дифференциально-трансформаторные, ферродинамические, магнитомодуляционные и сельсинные преобразователи. В дифференциально-трансформаторных преобразователях перемещение сердечника первичного прибора уравновеши- вается известным перемещением сердечника вторичного 19 прибора. Дифференциально-трансформаторные преобразова- тели используются при измерении давления, уровня, расхода и некоторых других параметров. Схема дифференциально-трансформаторного преобразо- вателя (рис. 2.1) состоит из двух одинаковых катушек, одна из которых находится в первичном приборе 1, а другая — во вторичном приборе 2. Первичные обмотки катушек включены последовательно и питаются напряжением пере- менного тока от обмотки силового трансформатора элек- тронного усилителя. Вторичные обмотки включены одна навстречу другой с выходом на электронный усилитель. Внутри катушек находятся железные плунжеры (магнито- проводы) М. Если плунжеры обеих катушек находятся в среднем положении, то величины ЭДС, наводимые в ка- тушках, равны между собой. При рассогласовании положе- ний плунжеров величины ЭДС, наводимые в катушках, не- равны между собой. Разность этих ЭДС усиливается в электронном усилите- ле до величины, необходимой для управления реверсивным двигателем РД. Последний через профилированный диск 3 перемещает плунжер в катушке вторичного прибора в по- ложение, согласованное с положением плунжера в катушке первичного прибора, что приводит к равенству ЭДС, наво- димых в обеих катушках, а, следовательно, к новому состо- янию равновесия. При этом результирующая ЭДС вторич- ных обмоток будет снова равна нулю, и реверсивный дви- гатель остановится. Одновременно реверсивный двигатель связан со стрелкой и пером вторичного прибора. 20 Рис. 2.1. Схема дифференциально-трансформаторного преобразователя При перемещении плунжера первичного прибора на рас- стояние до 5 мм зависимость индуктированной ЭДС прак- тически линейна. Вторичные приборы дифференциально- трансформаторной системы построены на базе автоматиче- ских потенциометров. В электрических преобразователях аналоговой ветви ГСП используют электросиловые преобразователи двух ти- пов: линейный, обеспечивающий прямо пропорциональную (линейную) зависимость между усилием и выходным сиг- налом, и квадратичный, выходной сигнал которого про- порционален корню квадратному из усилия. Преобразова- тели комплектуют усилителем типа УП-20, выполненным в виде отдельного блока. Принципиальная схема линейного преобразователя пред- ставлена на рис. 2.2. Усилие Q, которым измерительный блок воздействует на преобразователь, вызывает незначи- тельное перемещение рычажной системы 4 передаточного механизма и связанного с ней управляющего флажка 5 индикатора рассогласования. Индикатор рассогласования дифференциально-трансформаторного типа преобразует это 21 перемещение в управляющий сигнал переменного тока, по- ступающий на вход электронного усилителя 1. Выходной сигнал усилителя в виде постоянного тока поступает в ка- тушку 2 силового устройства и одновременно в последова- тельно соединенную с ней линию дистанционной передачи. В линейном преобразователе при взаимодействии посто- янного магнита 3 с магнитным полем, создаваемым током, протекающим в катушке 2, создается пропорциональное силе тока усилие, уравновешивающее через рычажную си- стему входное усилие. В квадратичном преобразователе сила, с которой втяги- вается ферромагнитный проводник в поле, создаваемое не- подвижным электромагнитом, пропорциональна квадрату силы тока, протекающего по катушке. Рис. 2.2. Принципиальная схема электросилового линейного преобразователя Линейный и квадратичный преобразователи различают- ся только устройством обратной связи силового механизма. Конструкция преобразователя позволяет присоединять к нему измерительные блоки, создающие усилия в разных направлениях: Q', Q" или Q. Дистанционная передача сигнала может достигать 10 км. 22 Подключаемые к преобразователю вторичные приборы можно разделить на две группы: работающие от унифици- рованного сигнала постоянного тока (миллиамперметры, приборы магнитоэлектрической и электромагнитной си- стем) и работающие от сигнала постоянного напряжения (вольтметры, промышленные потенциометры, электриче- ские машины централизационного контроля и управле- ния). Приборы первой группы (токовые) подключают к элек- тронному усилителю преобразователя в разрыв электриче- ской цепи двухпроводной линии связи (приборы этой груп- пы соединены последовательно). Приборы второй группы (приборы постоянного напряжения) подключают парал- лельно нагрузочному сопротивлению R н , включенному в цепь двухпроводной линии связи. § 2.3. Пневматические измерительные преобразователи В пневматических пре- образователях основным элементом является сис- тема «сопло — заслонка» (рис. 2.3). В трубку 1 не- большого диаметра непре- рывно поступает воздух под давлением Р 0 . Прой- дя через дроссель постоянного сечения в атмосферу через дроссель 3 (сопло), перед которым находится заслонка 4. Если изменить зазор х между соплом и заслонкой, то давле- ние Р междроссельном пространстве будет также изменяться: увеличиваться с приближением заслонки к соплу и уменьшать- ся при удалении заслонки от сопла. Изменение давления Р 1 контролируется манометром 5. Рис. 2.3. Пневмопреобразователь типа «сопло — заслонка» 23 Зависимость между зазором Δх и давлением Р 1 показана на рис. 2.4. Как видно из графика, весьма небольшие пере- мещения заслонки (до 0,08 мм) вызывают значительные — от 10 до 110 кПа — изменения давления воздуха Р 1 Преобразователи силовой компенсации. Для непре- рывного преобразования абсолютного, избыточного и ваку- умметрического давления (разрежения, перепада давления), расхода, температуры жидкостей и газов, уровня, плотности жидкости и некоторых других параметров в пневматический сигнал дистанционной передачи предназначены преобразо- ватели, основанные на принципе силовой компенсации. В этих преобразователях измеряемый параметр воздействует на чувствительный элемент измерительного блока и преоб- разуется в усилие, которое автоматически уравновешивается усилием, развиваемым давлением воздуха в сильфоне обрат- ной связи. Это давление является одновременно выходным сигналом преобразователя. Рис. 2.4. Зависимость давления Р 1 в междроссельном пространстве системы «сопло — заслонка» от зазора Δх между соплом и заслонкой Принципиальная схема преобразователя представлена на рис. 2.5. Усилие Q, которым измерительный блок воздей- ствует на преобразователь, вызывает незначительное пере- мещение рычажной системы 1 передаточного механизма и связанной с ней заслонки 3 относительно неподвижно- го сопла 2. Возникший в линии сопла сигнал управляет 24 давлением, поступающим с пневмоусилителя в сильфон 4 обратной связи. Рис. 2.5. Принципиальная схема пневматического силового преобразователя Конструкция преобразователя позволяет присоединять к нему измерительные блоки, создающие усилие в разных направлениях: Q, Q' или Q". Усилитель (пневмореле) со- стоит из трех секций, разделенных мембранами из прорези- ненного полотна, которые образуют две камеры давления командного воздуха А и камеру линии сопла Б. Повышение давления в линии сопла вызывает перемещение мембран 5 и 9, и клапан 8 открывается. При этом давление командного воздуха повышается на величину, равную величине повы- шения давления в линии сопла, возникает постоянный перепад на дросселе 7 и влияние изменения давления пита- ния значительно уменьшается. При уменьшении давления в линии сопла шариковый клапан 8 закрывается, клапан сброса 6 открывается и давление командного воздуха уменьшается. Преобразователь обеспечивает дистанцион- ную передачу выходного сигнала по пневмотрассе длиной до 300 м. Класс точности преобразователя 1,0. 25 Преобразователь типа ПП предназначен для преобразования угловых перемещений в пропорциональный пневматический сигнал. Его используют в качестве выходного преобразовате- ля в приборах и устройствах частотно-ферродинамической системы, устанавливаемых в схемах автоматического управле- ния производственными процессами. Принципиальная схема преобразователя приведена на рис. 2.6. Угловое перемещение сектора 1 через ось 2 передается барабану 3. При помощи гибкой ленты 9, связанной с бара- баном и огибающей отклоняющий ролик 8, угол поворота барабана преобразуется в пропорциональное усилие пру- жины 7. Усилие, развиваемое пружиной, через рычаг 6 воз- действует на заслонку 15 пневмоусилителя. Основным элементом пневмоусилителя является сопло- заслонка. Питающий воздух из линии поступает в камеру I и через постоянный дроссель 4 в камеру II. Давление в ка- мере II зависит от количества воздуха, поступающего в эту камеру через дроссель 4, и расхода его через сопло 14. Если усилие Р, действующее на заслонку 15 со стороны рычага 6, равно нулю, то дросселирование в сопло 14 весь- ма незначительно и давление в камере II приближается к атмосферному. При этом усилие, действующее на мем- бранную систему 13 снизу вверх, меньше, чем усилие пру- жины 12, и полый шток 11 попадает в камеру IV, соединен- ную с атмосферой. При увеличении усилия Р, изменяющегося пропорцио- нально углу поворота входной оси 2, сопло 14 в большей сте- пени прикрывается заслонкой 15. Зазор уменьшается, что со- здает дополнительное сопротивление истечению воздуха че- рез сопло. Поэтому давление в камере II превышает давление в камере III, и мембранная система 13 перемещается вверх. Полый шток 11 упирается в тарельчатый клапан 10, закрывая выход в атмосферу, и приподнимает его, открывая доступ питающему воздуху из камеры I в камеру III. Давление в ка- мере III, являющееся одновременно выходным, увеличивается 26 до величины, при которой усилия, действующие на мембран- ную систему 13 снизу вверх и сверху вниз, уравниваются. Рис. 2.6. Принципиальная схема преобразователя ПП Одновременно выходное давление из камеры III переда- ется в камеру V. Это давление, воздействуя на мембрану 5, с которой связана заслонка 15, уравновешивает усилие Р. Линейность характеристики достигается тем, что мем- бранная система 13 поджата пружиной 12 всегда на одну и ту же величину, а так как перемещение тарельчатого клапа- на 10 очень мало, перепад давления на сопле 14 постоянен. Класс точности преобразователя 1,0. Преобразователь обеспечивает передачу по пневмотрассе показаний на рас- стояние до 300 м. В качестве вторичных приборов в пневматических систе- мах можно применять любые измерители давления, а также 27 вторичные приборы, например системы «Старт». На рис. 2.7 показана кинематическая схема вторичного прибора системы «Старт» (ПВ2.2). Действие приборов основано на компенсационном принципе измерения. Приборы используются для работы с пневматическими преобразователями или другими устрой- ствами, выдающими унифицированные аналоговые сигна- лы 20–100 кПа (0,2–1 кгс/см 2 ). В измерительном узле входной пневматический сигнал Р преобразуется в поступательное перемещение указателя (стрелки) и пера. Контролируемый параметр (входной пнев- матический сигнал Р) поступает в приемный сильфон 2. Воз- дух питания под давлением Р пит через дроссель 1 подается в силовой элемент 7 и к соплу 3. При изменении входного дав- ления сильфон 2, дно которого упирается в рычаг 4, переме- щает его, изменяя зазор между соплом и рычагом. При перемещении рычага 4 вправо давление в силовом элементе 7 увеличивается, так как зазор между рычагом и соплом уменьшается. Это давление передается на рычаг 6 силового элемента, и ролик 9 поворачивается на угол, не- обходимый для достижения равновесия на рычаге 4 между усилиями от давления в сильфоне и пружины обратной свя- зи 5. Углу поворота ролика соответствует пропорциональ- ное перемещение стрелки (пера) 8. Шкала прибора стопро- центная линейная. Класс точности 1,0. Рис. 2.7. Кинематическая схема вторичного прибора системы «Старт» 28 § 2.3. Электропневматические и пневмоэлектрические измерительные преобразователи Для согласования электрической и пневматической ветвей ГСП выпускаются электропневматические и пневмоэлектри- ческие преобразователи. Рассмотрим некоторые из них. Преобразователь электропневматический (типа ЭПП) предназначен для преобразования непрерывного унифициро- ванного электрического сигнала постоянного тока в непре- рывный унифицированный пневматический сигнал. Работа преобразователя основана на принципе силовой компенсации. Прибор состоит из двух функционально различных блоков: электромеханического преобразователя (совокупность магни- тоэлектрического механизма и рычажной системы) и пневма- тического усилителя. Входной электрический сигнал подво- дится к катушкам электромагнита 7 (рис. 2.8). При этом в магнитопроводе возникает магнитный поток, вызывающий перемещение якоря 6. Усилие на якоре прямо пропорцио- нально силе тока. Перемещение рычага 4 под действием этой силы вызывает изменение давления в линии сопла 3, установ- ленного на основании 2. Это давление усиливается пневмати- ческим усилителем (реле) 8 и по пневмолиниям передается на выход преобразователя и в сильфон обратной связи 5. Усилие, возникающее в сильфоне под воздействием вы- ходного давления, уравновешивает через рычаг усилие на якоре от входного сигнала. Для сглаживания колебаний в ли- нии сопла имеется пневмоемкость 1. Классы точности 0,5; 1,0. 29 Рис. 2.8. Принципиальная схема электропневматического преобразователя Преобразователь пневмоэлектрический (типа ПЭ-55М) предназначен для преобразования пневматического сигна- ла, поступающего от пневматического датчика или пневма- тического регулятора, в унифицированный электрический сигнал постоянного тока (рис. 2.9). Прибор состоит из маг- нитоэлектрического гальванометра, блока питания и мано- метрической трубки, установленных в общем корпусе. Входной сигнал в виде давления, подлежащего измерению и преобразованию, попадая во внутреннюю полость маномет- рической трубки, деформирует ее. Конец трубки через спи- ральную пружину передает перемещение подвижной системы гальванометра (флажка), котоый находится в высокочастот- ном поле катушки, входящей в базовый контур генератора. При перемещении флажка изменяются параметры базового контура, что приводит к изменению режима генератора. При этом изменяется постоянная составляющая коллекторно- го тока, что приводит к изменению силы тока базы транзисто- ра ПП и, следовательно, к изменению силы выходного тока. 30 В цепь коллектора ПП включена катушка обратной связи, укрепленная на коромысле в поле постоянного магнита. Вы- ходной ток, обтекая катушку, создает момент обратной связи, противоположный моменту, создаваемому при растяжении пружины. Флажок перемещается и сила выходного тока из- меняется до тех пор, пока эти моменты станут равными. Класс точности преобразователя 1,0. § 2.4. Средства измерений Виды средств измерений. Средства измерений пред- ставляют собой совокупность технических средств, исполь- зуемых при различных измерениях и имеющих нормиро- ванные метрологические характеристики. Рис. 2.9. Принципиальная схема пневмоэлектрического преобразователя К средствам измерений относят меры и измерительные приборы, измерительные преобразователи, а также измери- тельные установки, измерительные системы. 31 Меры представляют собой средства измерений, служа- щие для воспроизведения физической величины заданного размера. Мерами являются, например, гири, катушка со- противления. К мерам относятся также стандартные образ- цы и образцовые вещества. Стандартный образец — мера для воспроизведения единицы величины, характеризующей свойства или состав веществ и материалов. Например, стандартный образец ферромагнитных материалов с аттестованным содержанием химических элементов. Образцовое вещество — мера, представляющая собой ве- щество с известными свойствами, воспроизводимыми при соблюдении условий приготовления, указанных в утвержден- ной спецификации. Например, чистые газы, чистые металлы, чистая вода. При помощи стандартных образцов и образцо- вых веществ осуществляют наладку и контроль технологиче- ских процессов. Измерительный прибор — это средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для восприятия наблюда- телем. Измерительная установка — средство измерения, пред- ставляющее собой совокупность функционально объединен- ных измерительных приборов измерительных преобразовате- лей и других вспомогательных устройств, расположенных в одном месте и связанных единством конструктивного ис- полнения. Примером измерительной установки может служить рН- метр, состоящий из первичного преобразователя (комплекта электродов) вторичного прибора (потенциометра) и вспомо- гательного устройства (высокоомного усилителя). Кроме рассмотренных средств измерений существуют из- мерительные системы, представляющие собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединен- ных между собой каналами связи и предназначенные для по- лучения измерительной информации в форме, удобной для 32 автоматической обработки, передачи и использования в авто- матизированных системах управления. Вторичное измерительное устройство (вторичный при- бор) — средство измерений, предназначенное для работы в комплекте с измерительными приборами, а также с некото- рыми видами первичных и промежуточных преобразовате- лей. Измерительные приборы очень разнообразны и различа- ются принципом действия, конструкцией и др. Общим для всех измерительных приборов является наличие отсчетных устройств. По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие, т. е. допускаю- щие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена регистрация показаний. К показыва- ющим относят аналоговые и цифровые приборы. Отсчетные устройства аналоговых приборов состоят из шкалы и указателя-стрелки; показания прибора являются непрерывной функцией измеряемой величины. Рис. 2.10. Шкальные отсчетные устройства: а — с дугообразной шкалой; б — с горизонтальной шкалой Цифровой измерительный прибор автоматически выра- батывает дискретные сигналы измерительной информации, показания прибора представлены в цифровой форме. Приборы, в которых предусмотрена регистрация показа- ний в форме диаграммы, называют самопишущими. При шкальном отсчете шкалы могут быть неподвижны- ми и подвижными (шкала перемещается относительно 33 неподвижного указателя). Отметки на шкалах располагаются вдоль прямой линии или по дуге окружности на плоской или цилиндрической поверхности (рис. 2.10). На рис. 2.11 пока- заны наиболее типичные шкалы измерительных приборов. Шкалы, нулевая отметка которых совпадает с началом или концом шкалы, называются односторонними. Шкала называется двусторонней, если нулевая отметка не совпа- дает с началом или концом шкалы (например, термометр расширения с пределом показаний от −50 до +50 °С). Рис.2.11. Шкалы: а — горизонтальная; б — вертикальная; в — дугообразная (с углом дуги до 180°); г — дисковая круговая (с углом дуги более 180°); д — вращающаяся цилиндрическая; е — профильная Делением шкалы называется промежуток между осями или центрами двух смежных отметок. Длины делений рав- номерных шкал — одинаковые; неравномерных шкал — неодинаковые. Самопишущие (регистрирующие) приборы имеют при- способления для автоматической записи на бумажной ленте или диске текущего значения измеряемой величины во времени (рис. 2.12). Ленточные диаграммы бывают двух типов: с прямоли- нейным движением пера прибора и с движением пера по дуге окружности. Дисковые диаграммы могут быть с рав- номерными и неравномерными делениями. 34 Рис.2.12. Регистрирующие устройства: а — с записью в полярных координатах; б — с записью в прямоугольных координатах; в — с печатающим устройством Государственная система приборов. Построение Госу- дарственной системы приборов (ГСП) основано на опреде- ленных системно-технических принципах, позволяющих наиболее рационально решить проблему обеспечения тех- ническими средствами разнообразных систем контроля регулирования и управления технологическими процесса- ми. ГСП представляет собой совокупность нормализованных рядов унифицированных блоков, приборов и узлов, состав- ленных из минимального числа блоков-модулей, на основе которых собирается любое устройство, входящее в ГСП. ГСП предусматривает преобразование измеряемых парамет- ров (температуры, давления и т. п.) в единую форму инфор- мации, удобную для передачи на расстояние. Устройства ГСП по роду используемой вспомогательной энергии носителя сигналов в канале связи, применяемой для приема и передачи информации и команд управления, де- лятся на электрические, пневматические и гидравлические. В ГСП входят также устройства, работающие без использо- вания вспомогательной энергии (приборы и регуляторы прямого действия). 35 Устройства, питающиеся при эксплуатации энергией од- ного рода, образуют единую структурную группу в Государ- ственной системе приборов (ветвь ГСП). По функциональ- ному признаку изделия ГСП разделяются на следующие группы устройств, предназначенные для: получения инфор- мации о состоянии процесса; приема, преобразования и пе- редачи информации по каналам связи; преобразования, хра- нения и обработки информации и формирования команд управления; использования командной информации для воз- действия на процесс и связи с оператором. Для обеспечения информационного сопряжения между блоками, приборами и установками ГСГІ применяют уни- фицированные сигналы (УС). Унифицированный сигнал (УС) ГСП — сигнал дистанционной передачи информации с унифицированными параметрами. В зависимости от вида унифицированных параметров в ГСІІ применяют УС четырех групп: 1) сигналы тока и напряжения электрические непрерыв- ные; 2) сигналы частотные электрические непрерывные; 3) сигналы электрические кодированные; 4) пневматические сигналы. |