лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
Рис. 13. Схема первичного измерительного преобразователя (а): ЧЭ — чувствительный элемент, ПЭ — преобразующий элемент, — входное сопротивление,— выходное сопротивление,— сопротивление источника питания,— сопротивление нагрузки; упрошенная схема измерительной системы (б): I— первичный измерительный преобразователь; 2 — согласующее устройство; 3 — выходное устройство (индикатор) Другими возможными элементами измерительного преобразователя являются устройства формирования выходного сигнала и питания (см. рис. 13, а). Преобразователь подключается к источнику питания (может быть внутренним или отсутствовать) и нагрузке. За исключением активных преобразователей, питание (или источник напряжения, или источник тока) требуется преобразователю, чтобы обеспечить его точную работу. Сопротивление преобразователя по отношению к источнику питания с сопротивлением выступает в качестве входного сопротивления. Сопротивление проводов, соединяющих источник питания с преобразователем, всегда рассматривается как часть сопротивления источника питания. Выходное сопротивление преобразователя  — это сопротивление на выходных клеммах преобразователя. Общее сопротивление цепи, подключаемой к выходным клеммам преобразователя, является сопротивлением нагрузки преобразователя . Сопротивление проводов, соединяющих преобразователь с нагрузкой, рассматривается как часть сопротивления нагрузки. Согласование преобразователя с измерительной системой осуществляется с учетом рассмотренных сопротивлений.На рис. 13, б приведена упрощенная схема измерительной системы с использованием первичного преобразователя 1. Согласующее устройство 2 изменяет сигнал преобразователя, например, усиливает или формирует его в соответствии с требованиями выходного устройства 3 (индикатора или устройства памяти). 4.3. Промежуточные преобразователи Промежуточным измерительным преобразователем (или сокращенно промежуточным преобразователем) называют элемент, занимающий в измерительной цепи место после первичного измерительного преобразователя. Основное назначение промежуточного преобразователя — преобразование выходного сигнала первичного измерительного преобразователя в форму, удобную для последующего преобразования в сигнал измерительной информации для дистанционной передачи. Наряду с преобразованием измерительной информации часто возникает необходимость усиления сигнала, например, его мощности, преобразования выходного сопротивления и пр. Примером промежуточного измерительного преобразователя может служить мембранный блок дифманометра-расходомера. В измерительной цепи измерения расхода он занимает место непосредственно после сужающего устройства и преобразует перепад давления, образующийся на сужающем устройстве, в соответствующее перемещение мембраны мембранного блока и связанной с ним системы (например, механической) измерительного прибора. На рис. 15 приведена классификация промежуточных преобразователей. При измерении неэлектрических технологических параметров, таких как расход, давление, перепад давления, уровень, многие первичные измерительные преобразователи преобразуют измеряемую величину в смещение. Последующее преобразование смещения в электрический параметр осуществляется с помощью промежуточных преобразователей смещения: тензометрических, емкостных, пьезоэлектрических, индуктивных.  Рис. 15. Классификация промежуточных преобразователей (преобразующих устройств) 4.3.1. Тензометрические преобразователи Воздействуя на соответственно выполненный упругий элемент, возможно измерить такие физические величины, как силу, давление, перемещение и т. д., и, таким образом, при построении преобразователей различных величин использовать все преимущества, присущие методу тензометрии, основанному на измерении деформаций. Среди тензометров самое широкое применение нашли тензорезисторы (тензодатчики). Изменения формы какого-либо элемента, обусловленные воздействием внешних или внутренних сил, сопровождаются деформацией его поверхности. Закрепленный на этой поверхности тензорезистор воспринимает деформации объекта измерения и изменяет при этом свое электрическое сопротивление. Изменение сопротивления является мерой возникшей деформации и она может быть измерена средством измерений, подключенным к тензорезистору. Тензорезистор является пассивным преобразователем, поэтому на него необходимо подавать питание от электрического источника напряжения (постоянного или переменного). Чувствительный элемент тензорезистора представляет собой решетку, выполненную из тонкого электрического проводника. В обычном исполнении решетка заделана в тонкопленочную полимерную основу, электрически изолирующую ее от объекта измерения, предающую ей деформацию и защищающую от повреждений. Тензорезисторы имеют малые размеры, малую массу (около 10...500 мг) и малую жесткость. Поэтому динамическая и статическая характеристики даже небольших объектов измерения практически стабильны, что является особым преимуществом тензорезистора по сравнению с другими тензометрами. Различают металлические и полупроводниковые тензорезисторы. 4.3.2. Емкостные преобразователи Известно, что емкость конденсатора, образованного параллельными пластинами, равна  где — число пластин; — площадь одной стороны пластины; — толщина диэлектрика; — относительная диэлектрическая проницаемость; — диэлектрическая проницаемость вакуума, равная  Ф/м. Рис. 20. Емкостные преобразователи: a— параллельные пластины с переменным расстоянием; б — параллельные пластины с изменяемым перекрытием; в — параллельные пластины с перемешаемым диэлектриком; г — концентрические трубки; д — емкостный микрофон: 1 — положение недеформированной диафрагмы; 2 — диафрагма деформированная; 3 — неподвижная пластина; 4 — диэлектрик; 5 — ограничивающая полость    Рис. 21. Изменение емкости С преобразователя: а — от расстояния между пластинами; б — от эффективной площади перекрытия пластин; в — от диэлектрической постоянной Действие емкостных преобразователей основано на зависимости емкости конденсатора от расстояния между пластинами, или от эффективной площади пластин, или от диэлектрической проницаемости, которые могут изменяться под действием измеряемой величины (рис. 20). На рис. 20, а входной величиной является расстояние между пластинами. Максимальная чувствительность емкостного преобразователя соответствует минимальному расстоянию между пластинами, поэтому предпочтительны большие пластины с малым расстоянием между ними (рис. 21, а). На рис. 20, б представлен преобразователь, в котором эффективная площадь пластин изменяется путем изменения их частичного перекрытия, а рис. 21, 6 показывает, что в этом случае емкость зависит линейно от изменения эффективной площади пластин, т. е. линейно зависит от перемещения пластин относительно друг друга. Линейную зависимость емкости можно получить (рис. 21, в), меняя диэлектрическую проницаемость перемещением диэлектрика между пластинами (рис. 20, в). Емкость концентрических трубок, изображенных на рис. 20, г, линейно зависит от перекрытия (рис. 21, б). При измерениях переменного давления газа можно использовать простой емкостный микрофон (рис. 20, д). Емкостные преобразователи имеют отличную частотную характеристику, т. е. их полоса пропускания очень широка. Они могут применяться как для статических, так и для динамических измерений. Замечание Емкостные преобразователи чувствительны к температурным колебаниям и могут выдать неправильный сигнал, когда соединительные провода длинны и обладают заметной емкостью. 4.3.3. Пьезоэлектрические преобразователи Пьезоэффект (открыт в 1880 г. братьями Ж. и П. Кюри) связывает механическую деформацию в кристалле с возникающим в нем электрическим сигналом. Электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механические деформации (обратный пьезоэффект) и, наоборот, механическое воздействие на кристалл порождает в нем электрическое напряжение (прямой пьезоэффект). Пьезоэлектрические датчики, действие которых основано на прямом пьезоэффекте, преобразуют, например, давление в пропорциональный электрический сигнал. Пьезоэлектричество наблюдается как в монокристаллических материалах, например кварце, так и в поликристаллических материалах, например керамике. Монокристаллический кварц имеет более высокую температурную стабильность, химическую стойкость и прочность, чем пьезоэлектрическая керамика (пьезокерамика). В отличие от естественных кристаллов, таких как кварц (или турмалин), пьезокерамика не обладает пьезоэлектрическими свойствами сразу после их изготовления из-за хаотической ориентации электрических диполей. Подвергая пьезокерамику воздействию электрического поля напряженностью 10...30 кВ/см при температуре ниже температуры Кюри, можно ориентировать материал так, что он будет действовать, как монокристалл. Преимущество пьезокерамики: из нее можно изготовить образцы сложной конфигурации, она химически стойка и может изготовляться по стандартным технологиям для керамических материалов. Примечание Точка Кюри (температура Кюри) — температура фазового перехода, характеризующегося непрерывным изменением состояния вещества с приближением к точке фазового перехода и приобретением качественно нового свойства в этой точке. Названа по имени П. Кюри, детально изучившего этот переход у ферромагнетиков. Пьезокерамика по физическим свойствам представляет собой поликристаллический сегнетоэлектрик. По химическому составу — это сложный оксид, включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырехвалентного титана или циркония. Наиболее распространена группа пьезокерамических материалов типа титаната-цирконата свинца ЦТС (PZT), на основе титаната бария ТВ-1, титаната бария кальция Т6К-3, титаната свинца и т. д. Одним из основных типов пьезокерамических датчиков является осевой (механическая сила действует вдоль оси поляризации). В осевых датчиках пьезоэлемент может представлять собой диск, кольцо, цилиндр или пластину. 4.3.4. Индуктивные преобразователи Действие индуктивных преобразователей основано на изменении собственной или взаимной индуктивности катушек. Индуктивный преобразователь, широко используемый, в особенности, для измерения смещений (и тем самым давления или других технологических параметров), — линейный дифференциальный трансформатор (ЛДТ) — рис. 22.  а 6в Рис. 22. Индуктивный преобразователь: а — электрическая схема; 6— конструкция передающего дифференциально-трансформаторного преобразователя (1 — односекционная первичная обмотка; 2 — секции вторичной (выходной) обмотки; 3 — подвижный сердечник; 4 — катушка преобразователя); в — статическая характеристика (зависимость напряженияот положения сердечника); — рабочий диапазон перемещения сердечника В основе работы ЛДТ лежит принцип изменения взаимной индукции между магнитосвязанными катушками, причем именно это изменение, а не изменение собственной индуктивности подлежит измерению. Конструкция (рис. 22, а, б). На катушке 4 из немагнитного материала (например, пластмассы) равномерно размещена первичная обмотка 1. Вторичная обмотка, намотанная поверх первичной, выполнена в виде двух секций 2 с одинаковым числом витков, причем эти секции электрически включены навстречу друг другу, т. е. выходное напряжение есть разность ЭДС, индуцируемых в этих секциях. Внутри катушки находится сердечник 3 из мягкого железа. Шток сердечника связан с подвижным элементом измерительного преобразователя или осью указателя прибора. Дифференциально-трансформаторный преобразователь размещается в цилиндрическом металлическом кожухе для защиты от внешних магнитных полей (на рис. не показан). На рис. 22, в изображена зависимость выходного напряжения от положения сердечника. При малых смещениях напряжение на выходе ЛДТ изменяется линейно с перемещением сердечника и претерпевает изменение фазы на 180°, когда сердечник проходит через центральное положение, указывая на направление смещения сердечника. Примечание Начало координат — центральное положение сердечника. Индуктивный преобразователь имеет преимущество, например, перед потенциометрическим преобразователем, поскольку в нем отсутствует трение и износ движущихся частей. Индуктивный преобразователь применяется для статических и динамических измерений. Преимущество дифференциального выхода в системах типа ЛДТ состоит в том, что такие системы характеризуются большим выходным сигналом при равных смещениях, а также и уменьшенными вариациями выходного сигнала при изменениях температуры, магнитного поля, напряжения и частоты питания. ЛДТ конструируются для работы при перемещениях сердечника от ±0,01 см до ±30 см. 4.3.5. Преобразователи электрических сигналов Преобразователи электрических сигналов — вспомогательные устройства АСУ, осуществляющие эквивалентное преобразование сигнала: модуляцию, демодуляцию, а также аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования. Преобразователи электрических сигналов как типовые элементы САУ выполняют функции согласующих устройств без изменения количества информации, содержащегося в преобразуемом сигнале. Основные технические требования, предъявляемые к преобразователям электрических сигналов: точность и стабильность преобразования, а также высокое быстродействие. Модуляция — изменение по заданному закону во времени параметров, характеризующих какой-либо стационарный физический процесс, например, изменение по определенному закону амплитуды, частоты или фазы гармонического колебания для внесения в колебательный процесс требуемой информации. 5.4.4. Нормирующие преобразователи Для преобразования выходных сигналов первичных измерительных преобразователей в унифицированные сигналы для взаимного согласования входящих в АСУ элементов, дистанционной передачи сигналов по каналам связи служат промежуточные {нормирующие) преобразователи с унифицированным выходным сигналом, представляющие собой конструктивно законченные изделия. Принципиальные схемы основных преобразователей, применяемых в СУ ХТП, разбираются ниже. 4.4.1. Токовые нормирующие преобразователи для термопар и датчиков ЭДС Действие токового нормирующего преобразователя для термопар основано на статической автокомпенсации. 4.4.2. Токовые нормирующие преобразователи для термопреобразователей сопротивления 4.4.3. Электропневматический преобразователь Электропневматический преобразователь (ЭПП) (рис. 26) преобразует непрерывный унифицированный сигнал постоянного тока в унифицированный пневматический сигнал. Входной токовый сигнал преобразователя, например,= 0...5 мА, а выходной пневматический сигнал преобразователя = 0,02...0,1 МПа (0,2... 1 кгс/см2). Принцип действия электропневматического преобразователя основан на преобразовании тока в пропорциональное усилие с помощью магнитоэлектрического устройства 2—3. Это усилие компенсируется со стороны пневматической системы: переменного дросселя типа сопло—заслонка /, снабженного сильфонной жесткой обратной связью 4.  Рп Рис. 5.26. Упрощенная схема электропневмопреобразователя: 1 — преобразователь типа сопло—заслонка (переменный дроссель); 2— постоянный магнит; 3 — рычаге рамкой; 4— сильфон отрицательной обратной связи 4.4.4. Токовый унифицированный преобразователь Токовый преобразователь (рис. 27) непрерывно преобразует давление (разрежение), перепад давления, расход, уровень и другие параметры в унифицированный сигнал постоянного тока. В токовом преобразователе использован принцип электрической силовой компенсации. Токовый унифицированный измерительный преобразователь состоит из измерительного преобразователя I (например, дифманометра) и унифицированного токового электросилового преобразователя II, представляющих единую конструкцию. В измерительной части I измеряемая величина преобразуется в пропорциональное усилие, компенсируемое усилием со стороны унифицированного токового электросилового преобразователя II. Измеряемый параметр, например, перепад давления  , воздействуя на чувствительный элемент (вялую мембрану 1) измерительного преобразователя, преобразуется в усилие , создающее момент . Момент через рычажную систему 3 приводит к перемещению сердечника 4 индикатора рассогласования 5 дифференциально-трансформаторного типа (выполняет функцию высокочувствительного нуль-прибора). Индикатор рассогласования 5 преобразует перемещение сердечника 4 в напряжение переменного тока, поступающее сначала на вход электронного усилителя 6, а затем на выпрямитель 7. Постоянный ток поступает в магнитоэлектрическое силовое устройство 8, 9, где вырабатывается уравновешивающее усилие, и в последовательно соединенную с ним линию дистанционной передачи. Уравновешивающее усилиесоздает момент, компенсирующий . Поскольку пропорционален измеряемой величине , а — току, то  Риc. 27. Схема токового унифицированногр измерительного преобразователя с силовой компенсацией: /— мембранный дифманометр; // — унифицированный токовый электросиловой преобразователь; / — вялая мембрана дифманометра; 2 — уплотняющий сильфон; 3 — основной рычаг; 4 — флажок индикатора; 5 — индикатор рассогласования дифференциально-трансформаторного типа; 6 — усилитель; 7— выпрямитель; 8— постоянный магнит; 9— катушка; 10— вспомогательный рычаг; // — подвижная опора; 12 — пружина для установки начального значения выходного сигнала;— сопротивление внешней нагрузки Выходной токовый сигнал преобразователя= 0...5 мА; 0...20 мА или 4...20 мА. 4.4.5. Пневматический унифицированный преобразователь Пневматические унифицированные измерительные преобразователи с силовой компенсацией (рис. 29) непрерывно преобразуют давление (разрежение), перепад давления, расход, уровень и другие параметры в унифицированный пневматический сигнал дистанционной передачи. В пневматическом преобразователе использован принцип пневматической силовой компенсации. Пневматический унифицированный измерительный преобразователь состоит из измерительного преобразователя / (например, дифманометра) и унифицированного пневматического силового преобразователя //, представляющих единую конструкцию. В измерительной части / измеряемая величина преобразуется в пропорциональное усилие, компенсируемое усилием со стороны унифицированного пневматического силового преобразователя //. Измеряемый параметр, например, перепад давления  ,воздействуя на чувствительный элемент (вялую мембрану /) измерительного преобразователя, преобразуется в усилие, создающее момент . Этот момент определяется как  . Давлениевоздухав сильфоне отрицательной обратной связи 8 создает усилие и соответственно момент  . Так как моментпропорционален измеряемому параметру, в данном случае, а  , то (5.25)  Рис. 29. Схема пневматического унифицированного измерительного преобразователя с силовой компенсацией: /— мембранный дифманометр; //— унифицированный пневмосило-вой электросиловой преобразователь; 1 — вялая мембрана дифманометра; 2 — уплотняющий сильфон; 3— основной рычаг; 4, 5 — высокочувствительный индикатор рассогласования типа сопло—заслонка; 6 — постоянный дроссель; 7 — усилитель мощности; 8 — сильфон отрицательной обратной связи; 9 — пружина для установки начального значения выходного сигнала Настройка преобразователя на заданный предел измерений осуществляется перемещением сильфона 8 вдоль рычага 3. Перестройка преобразователя с одного предела измерений на другой осуществляется заменой сильфона отрицательной обратной связи. |