Преобразователи и дистанционная передача сигналов

В современных измерительных системах комплексов технических средств (КТС) АСУТП весьма существенную роль играют преобразователи, предназначенные для преобразования измеряемой величины в сигнал другой физической величины (чаще всего в электрический сигнал), удобный для дистанционной передачи по линии связи к вторичным измерительным приборам, средствам регулирования, аналого-цифровым преобразователям, используемым в вычислительном комплексе АСУТП. Первичный преобразо­ватель устанавливается около объекта измерения; он (или его часть) непосредственно контактирует с контролируемой средой.

Преобразователи входят в структуру Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Важной особенностью современных преобразователей является унификация их выходных сигна­лов, напряжения питания и др., что обеспечивает взаимозаменяемость средств измерения, удобство централизованного контроля и позволяет сократить номенклатуру вторичных измерительных приборов. Наиболее перспективными являются нормирующие преобразователи с унифицированным выходным сигналом постоянного тока (0-5 мА или 4-20 мА).

Принцип действия нормирующих преобразователей основан на компенсации входного сигнала отрицательной обратной связью, получаемой с входа усилителя. В зависимости от характера входного сигнала (усилие, перемещение, электрический или пневматический сигнал) изменяются только способы реализации обратной связи, однако во всех случаях выходной сигнал преобразователя однозначно определяется обратной связью. На рисунке 3.1 показана структурная схема нормирующего преобразователя. Входной сигнал Х_ВХ в сумматоре 1 алгебраически складывается с сигналом отрицательной обратной связи Х_{О. С.}; результирующий сигнал сумматора 1 усиливается в усилителе 2 до величины Х_У. Этот сигнал по­даётся на вход блока обратной связи 3, выходной сигнал которой Х_{О. С.} в значительной мере компенсирует входной сигнал Х_ВХ.

В установившемся состоянии преобразователи описываются следующей системой уравнении l = Х_ВХ – Х_{О. С.};

Х_У = lk_У; (3.1)

Х_{О. С.} = k_{О. С.}Х_У,

где k_У - коэффициент усиления усилителя 2; k_{О. С.}- коэффициент пропорциональности, характеризующий обратную связь, отсюда Х_У = Х_ВХk_У/(1+k_Уk_{О. С.}) и Х_{О. С.} = Х_ВХk_Уk_{О. С.}/(1+k_Уk_{О. С.}), т.е. величина сигнала обратной связи Х_{О. С.} однозначно связана с входным сигналом. Соответствующим выбором коэффициентов k_У и k_{О. С.} можно нормировать параметры обратной связи и в цепи обратной связи получить нормированный токовый сигнал Iвых, который можно использовать для передачи информации о ве­личине входного сигнала Хвх, например, во вторичный прибор 4.

На рис. 3.2 показана схема входного устройства дифференциаль­но-трансформаторного преобразователя. Преобразователь предназначен для преобразования линейного перемещения сердечника, связанного с чувствительным элементом первичного измерительного прибора, в выход­ной электрический сигнал постоянного тока.

Принцип действия его основан на зависимости взаимной индуктивности обмоток возбуждения 1 и вторичных обмоток 3 от положения сердечника 2. Обмотки возбуждения соединены между собой последовательно и на них подаётся напряжение питания переменного тока. Вторичные обмотки вклю­чены между собой встречно. Создаваемый током возбуждения Iв магнитный поток пронизывает обе секции вторичной обмотки и в последних наводят­ся ЭДС е₁ и е₂, значения которых зависят от положения сердечника

В среднем положении сердечника е₁ = е₂, т.е. результирующая ЭДС, равная Е= е₁ – е₂, в этот момент равна нулю. При смещении сердечника, от среднего положения в ту или иную сторону будут изменяться значения ЭДС е₁ и е₂ и на вход усилителя 4 будет поступать ЭДС Е = е₁ – е₂, которая в усилителе усиливается и преобразуется в унифицированный сигнал постоянного тока Iвых, как показано на, схеме (рис. 3.1).

Принцип действия магнитомодуляционных преобразователей заключается в том, что управляющий магнитный поток, создаваемый в специальном устройстве (индикаторе магнитных потоков) при перемещении постоянного магнита цилиндрической формы, компенсируется магнитным потоком обрат­ной связи, создаваемым в этом же индикаторе током обратной связи, при этом устанавливается определённая зависимость между выходным током и перемещением подвижного постоянного магнита, связанного с чувстви­тельным элементом первичного измерительного прибора. Схема преобразо­вателя приведена на рис. 3.3.

Преобразователь имеет две обмотки возбуждения W_В и две обмотки обратной связи W_{О. С.} расположенные на левом 5 и правом 6 магнитопроводах. Обмотки W_В включены в два плеча измерительного моста; двумя другими плечами служат резисторы R1 и R2. К одной из диагоналей моста подводится напряжение питания Uпит переменного тока. Благодаря диодам VD1 и VD2 в плечах моста (следовательно, и в измерительной диагонали ab) протекает пульсирующий ток, порождающий пульсирующий магнитный поток.

Индуктивное сопротивление каждой обмотки W_В равно R_L = ωW_В²Sμ/l, где ω - углгвая частота; S и l - соответственно сечение и средняя длина магнитопровода; μ - магнитная проницаемость магнитопровода для переменного магнитного потока.

При симметричном расположении постоянного магнита 3 (магнит свя­зан с чувствительным элементом измерительного прибора и может переме­щаться вверх либо вниз относительно сердечников 2 и 7 пропорционально изменению измеряемого параметра) относительно сердечников 2 и 7 маг­нитный поток Ф_М, создаваемый магнитом 3, равен магнитному потоку Ф_{О. С.}, создаваемому обмотками обратной связи. При этом магнитопроводы 5 и 6 подмагничены только магнитным потоком, порожденным обмотками возбуждения, и измерительный мост находится в равновесии.

При неравенстве потоков Ф_М и Ф_{О. С}, т.е. при смещении магнита относительно среднего его положения разностный поток Ф_М – Ф_{О. С.} вызыва­ет дополнительное подмагничивание магнитопроводов, в результате чего изменяется величина μ, а, следовательно, и индуктивное сопротивление обмотки возбуждения. Это приводит к разбалансу моста, и в диагонали ab возникает напряжение, которое через сглаживающую ёмкость С посту­пает на вход усилителя 1. На выходе усилителя получают сигнал посто­янного тока, величина которого пропорциональна измеряемому параметру.

Значение этого тока фиксируется вторичным измерительным прибором 8. Одновременно выходной ток через резистор R_ТАР подается к обмоткам обратной связи, в результате чего магнитный поток Ф_{О. С.} компенсирует магнитный поток Ф_М. Таким образом в момент измерения (компенсации) выходной ток (0-5 мА) I_ВЫХ= kx, где х- смещение магнита 3 относи­тельно нейтрали сердечников 2 и 7.

Постоянный магнит 4 предназначен для точной корректировки нуля выходного сигнала преобразователя.

Магнитомодуляционные преобразователи широко используются в приборах давления типа МПЭ, ММЭ, МСЭ и др., а также в приборах расхода ти­па ДСЭР и ДМЭР.

На рис. 3.4 показана схема нормирующего преобразователя для изме­рения усилий и механических перемещений. На рычаг 1, который может поворачиваться вокруг оси О, действуют моменты внешней силы F (вход­ной сигнал) и компенсирующей силы F_{О. С.}, создаваемой выходным током преобразователя I_ВЫХ. Рычаг 1 в момент появления входного сигнала F,приложенного на конце А, рычага, поворачивается вокруг оси О. При этом конец В рычага 1 приближается к индикатору 2, подключенному на вход усилителя 3. На выходе усилителя появляется ток I_ВЫХ, величина которого пропорциональна зазору h. Выходной ток протекает через резистор нагрузки 4, измерительный прибор 5 и устройство обратной связи 6, развивающее усилие F_{О. С.}. Равновесие в системе наступит при условии Fl₁ = F_{О. С.}l₂, отсюда F_{О. С.} = (l₁/l₂)F. Так как F_{О. С.} = kI_ВЫХ, то

I_ВЫХ=(l₁/l₂)F=CF

где C=l₁/l₂k - константа преобразователя; k - коэффициент пропорци­ональности, характеризующий обратную связь.

На рис. 3.5 показана конструктивная схема нормирующего преобразователя для измерения усилий (перемещений) с электросиловой компенсацией типа П-Э1. По принципу действия он аналогичен нормирующему пре­образователю, показанному на рис. 3.4.

Усилие F или (F¹), с которым чувствительный элемент воздействует на преобразователь, создает вращающий момент, вызывающий поворот рычагов 4, 6, 10 и перемещение связанного с рычагом 10 плунжера 8 дифференциально-трансформаторного индикатора рассогласования 9. Индикатор преобразует это перемещение в сигнал переменного тока, поступающий на вход усилителя 1. В усилителе сигнал переменного тока усилива­ется и преобразуется в сигнал постоянного тока I_ВЫХ, который подаётся в обмотку катушки 2 узла обратной связи и одновременно - во вторичные измерительные приборы 11. Взаимодействие магнитного поля, создаваемо­го в обмотках узла обратной связи, с полем постоянного магнита 3 соз­даёт усилие обратной связи F_{О. С.}, которое через рычажную систему 10 компенсирует входное усилие F.

На рычаге 6 размещается ползунок 7, с помощью которого произво­дится изменение диапазона измерения путем изменения передаточного от­ношения рычажной системы 4-6. Начальное значение выходного сигнала преобразователя устанавливается корректором нуля 5.

Рассмотренные преобразователи обладают тем достоинством, что при их использовании нелинейность характеристик чувствительных элементов практически не влияет на погрешность преобразования. Вместе с тем, основная погрешность преобразования достаточно велика (0,25 - 1,0%), а кинематические схемы преобразователей обуславливают их низкую виброустойчивость и эксплуатационную надёжность.

Указанных недостатков лишены тензометрические преобразователи, принцип действия которых основан на изменении электрического сопро­тивления проводящего материала при его механической деформации.

Известно, что сопротивление проводника связано с удельным элект­рическим сопротивлением ρ материала, длиной l и площадью поперечного сечения S этого проводника зависимостью R = (ρl)/S.

При изготовлении и монтаже тензометрические преобразователи имеют такую форму и способ крепления на чувствительном элементе, при кото­рых изменение сопротивления R определялось бы в основном изменением длины 1.

Тензометрические преобразователи выполняют из металлической проволоки, фольги или полупроводников. В качестве материалов для изго­товления проволочных и фольговых преобразователей чаще всего используют константан, полупроводниковых – кремний или германий.

Основной характеристикой тензопреобразователей является коэффициент тензочувствительности, определяемый как отношение относительного изменения сопротивления к относительному изменению длины проводника К = (ΔR/R)/(Δl/l).

Для проволочных и фольговых преобразователей этот коэффициент ле­жит в пределах 0,5-5; для полупроводниковых 50-100.

Преобразователь с так называемой плоской решеткой имеет подложку 3 (рис.3.6,а) из тонкой бумаги, на которую наклеена плоская решетка 2 из тензочувствительной проволоки. К концам проволоки присоединены выводы 1 из медного провода. Сверху преобразователь покрыт слоем лака 4. Такие преобразователи имеют измерительную длину (базу А) 3-20 мм, а их начальное сопротивление 20-500 Ом.

Фольговые тензопреобразователи (рис.3.6,б) представляют собой наклеенную на подложку тензочувствительную решетку, вытравленную из константовой фольги толщиной 0,01-0,02 мм.

Полупроводниковые тензопреобразователи изготовляются в виде гантелеобразной пластины кремния 1 (рис.3.6,в). На концы пластины наносят контактный слой 2 и присоединяют выводы 3.

К преимуществам таких преобразователей относятся высокая чувствительность и миниатюрность. К недостаткам – сложность монтажа, сильное влияние температуры.

В современной измерительной технике получили распространение полупроводниковые мостовые тензорезисторные структуры, которые представляют собой монолитно соединенные в схему одинарного моста полупроводниковые тензорезисторы R1, R2, R3 и R4 (рис.3.6,г). Размеры таких преобразователей 2-6 мм при толщине 20-25 мкм. Мостовая тензорезисторная структура в виде квадрата является универсальной для упругих элементов, используемых в мембранных приборах давления (приборы типа «Сапфир», «Кристалл» и т.п.). Преобразователи, выполненные на основе мостовых тензорезисторных структур являются наиболее точными (их погрешность не превышает 0,1%).

Тензопреобразователи наклеиваются на деформирующийся чувствительный элемент (например, мембрану) при деформации которого изменяются размеры, а, следовательно, и электрическое сопротивление преобразователя. В мостовых тензорезисторных структурах выходной сигнал получают в виде напряжения, которое в дальнейшем усиливается и преобразуется в сигнал постоянного тока, пропорциональный измеренному параметру.

Таким образом, в системах автоматики используются преобразователи, позволяющие преобразовывать различные физические величины в нормированные сигналы постоянного тока: перемещение – ток, усилие – ток, давление – ток, ЭДС – ток, сопротивление – ток. В пневматических системах также применяются преобразователи различных физических величин в нормированное давление сжатого воздуха (20-100 кПа).

Дистанционная передача сигналов на расстояние (например, от первичного к вторичному прибору) основывается на использовании двух одинаковых преобразователей, включаемых встречно. На рис.3.7 показано использование для дистанционной передачи показаний Дифференциально-трансформаторных преобразователей, хотя могут применяться любые другие преобразователи, в том числе и с токовым сигналом. В первичный прибор 1 встроен преобразователь 2, положение сердечника которого и, следовательно, вырабатываемая ЭДС Е₁ зависит от значения измеряемой величины Х_ВХ. Во вторичный прибор 3 встроен преобразователь 4, вырабатывающий ЭДС Е₂, зависящую от положения сердечника, перемещаемого электродвигателем 5. При встречном включении преобразователей 2 и 4 разность ЭДС ΔЕ=Е₁-Е₂ поступает на усилитель 6 и после усиления на электродвигатель 5, который перемещает сердечник преобразователя 4 до тех пор, пока ЭДС Е₂ не станет равной Е₁. Одновременно электродвигатель 5 перемещает стрелку указателя, которая позволяет при остановке электродвигателя 5 производить отсчет по шкале 7 вторичного прибора, проградуированной в единицах измеряемой величины.