Тема: Общие направления развития ТАУ. 4 страница

В мембранных манометрах применяются мембраны 2 из латуни, стали, резины, прорезиненной ткани и др. материалов. Для повышения чувствительности манометра и увеличения перемещения выходного штока 4 применяют гофрированные мембраны. Гофры 3 имеют синусоидальную, треугольную, трапециевидную формы. Величина прогиба d мембраны связана с давлением р нелинейной зависимостью

p=E×[A×(z/d₀)+B×(z/d₀)²+C×(z/d₀)³], (12.2)

где Е - модуль упругости материала мембраны;

А, В, С - безразмерные коэффициенты, являющиеся функциями толщины d₀ мембраны, её радиуса R, вида, глубины и числа гофров.

Для измерения перепада давления по обе стороны мембраны подводятся два сигнала давления р и p'.

Металлические мембраны обладают большой жесткостью, малым гистерезисом, и поэтому способны полностью восстанавливать первоначальную форму после снятия давления. Неметаллические мембраны свойствами самовосстановления формы не обладают, поэтому в них дополнительно вводят пружины 5 и прилегающие к мембране металлические шайбы. Пружина действует через шайбу на мембрану и обеспечивает ей необходимые восстанавливающие свойства.

Основными недостатками мембранных манометров являются малые величины перемещения выходного штока и нелинейная зависимость перемещения d от давления p. Усилие на выходном штоке достаточно велико и пропорционально площади мембраны.

В сильфонах подводимое давление р действует на основания 1 и 1' площадью F каждое. За счет гофров 2 основания расходятся и перемещают шток 3. За счет большой длины гофрированной поверхности перемещение выходного штока у сильфона значительно больше, чем у мембранного манометра и, следовательно, выше чувствительность. Габариты сильфона небольшие, что позволяет его встраивать непосредственно в регуляторы давления. Для измерения перепада давления вовнутрь сильфона подводится давление р, а снаружи – давление p'.

Манометр с трубчатой пружиной содержит трубку эллиптического сечения, которая свернута по дуге окружности.

При давлении р₁ трубка имеет размер d₁, внутренний и наружный радиусы пружины равны r₁ и R₁, длины трубки по указанным радиусам равны L и l. Точка А располагается относительно неподвижной точки В так, как показано на рис.12.3а.

При давлении р₂, которое больше р₁, размер d трубки увеличится до d₂ (в пределе, при бесконечно большом давлении трубка в сечении примет форму круга). Тогда при постоянстве размеров L и l трубки внутренний и наружный радиусы пружины увеличатся до r₂ и R₂. Точка А удалится от неподвижной точки В так, как показано на рис.12.3б.

По схеме трубчатого манометра выполнены подавляющее число показывающих манометров. Точка А имеет передачу на стрелку прибора. На манометр устанавливают также группы контактов, которые замыкаются и размыкаются стрелкой манометра. Для измерения перепада давления этот тип манометра не применяется. Трубчатый манометр имеет наивысшее быстродействие.

Для увеличения перемещения точки А при изменении давления р пружину манометра выполняют многовитковой, которая называется геликоидальной. Манометры с геликоидальной пружиной используются в регуляторах давления.

Для измерения малых величин давления и перепада давления применяют колокольные манометры (рис.12.4).

Действие манометра основано на зависимости погружения h колокола 1 в рабочую жидкость 2 от перепада давления Dp=p₁ - p₂ по разные стороны колокола. Между изменением уровня Dh и перепадом давления Dp связь линейная

Dh = с×Dp (12.3)

Как звенья автоматики все рассмотренные манометры имеют передаточную функцию вида

(12.4)

Постоянные времени Т₁ и Т₂ для поршневого, мембранного, сильфонного и колокольного манометров равны: T₁=0,3...1,4 c, T₂=0,1...0,6 c, а для пружинного - T₁=0,1...5 мc, T₂=8...32 мc.

Электрические датчики давления выполняются на основе материалов, обладающих свойствами пьезоэффекта (образовании электрических зарядов на поверхности пластинки из некоторых кристаллов при её сжатии) и магнитострикции (зависимости магнитной проницаемости ферромагнетиков от степени сжатия магнитопровода).

13. Датчики уровня

Датчики уровня или уровнемеры подразделяются на механические (поплавковые, мембранные), пьезометрические, электрические, акустические и др.

В простом поплавковом уровнемере (рис.13.1а) перемещение плавающего на поверхности жидкости поплавка передается грузу, на котором укреплена стрелка, указывающая на шкалу. Выходным сигналом является перемещение груза, которое изменяется в тех же пределах, что и перемещение поплавка. Этот тип уровнемера удобен для визуального наблюдения за уровнем, а в САУ не используется из-за большого перемещения груза.

В уровнемере с длинным цилиндрическим поплавком, подвешенном на пружине (рис.13.1б.в), при большом изменении уровня перемещение поплавка невелико. Пусть при уровне Н₀ и длине погруженной части l₀ пружина с жесткостью с не была деформирована (рис.13.1в). Уравнение сил, действующих на поплавок, будет следующим

G-Sl₀g=0, (13.1)

где G и S - вес и площадь поперечного сечения поплавка, l₀ - длина поплавка, погруженной в жидкость g - удельный вес жидкости, G-Sl₀g - архимедова сила.

Для произвольного уровня Н (рис.13.1б) условие равновесия поплавка с учётом архимедовой силы имеет вид

G - Slg + c (y₀ - y)=0. (13.2)

Выразив из (13.1) величину G и подставив её в (13.2), получим

Sg (l - l₀) = c (y₀ - y). (13.3)

Из чертежей на рис.13.1б,в следует соотношение

H - l + L + y = H₀ - l₀ + L + y₀, откуда (l - l₀)= (H-H₀) - (y₀ - y) (13.4)

Подставляем значение (l - l₀) из (13.4) в выражение (13.3). После преобразований получим

или (13.5)

Из выражения (13.5) видно, что за счет подвески поплавка на пружине перемещение поплавка (у₀-у) меньше величины изменения уровня (Н₀-Н).

Мембранный датчик уровня приведён на рис.13.3. Над мембраной давление равно давлению над жидкостью. Давление под мембраной равно давлению, которое имеется над жидкостью плюс давление, которое создается столбом жидкости. Датчиком измеряется перепад давлений, пропорциональный уровню жидкости в сосуде.

Пьезометрический уровнемер содержит (рис.13.4) регулятор давления 3, контрольный прозрачный сосуд 1, манометр 2. Редуктором создается такое давление воздуха, при котором в баке 4 только-только исчезают пузырьки. При этом давление воздуха будет прямо пропорционально уровню жидкости в сосуде 4. Контроль за практическим прекращением движения воздуха в баке (который, как правило, закрыт) ведут по моменту редкого прохождения пузырьков в контрольном сосуде 1.

Основные типы электрических уровнемеров - кондуктометрические (омиче-ские) и емкостные (рис. 13.5). В кондуктомериче-ском уровнемере (рис.13.5а) используются 2 и более электродов, погружаемых в электропроводящую жидкость, например, электроды верхнего ВУ и нижнего НУ уровней. К схеме подводится переменное напряжение U. Покрытие электрода жидкостью контролируется приборами, например, амперметрами А1 и А2.

Емкостной уровнемер (рис.13.5б) содержит две пластины или концентрические цилиндры, погруженные в неэлектропроводящую жидкость. Если жидкость электропроводна, то пластины покрываются изолирующей пленкой. Пластины служат обкладками конденсатора, а жидкость - средой, влияющей на емкость конденсатора. Емкость конденсатора, измеряемая прибором ИЕ, равна

C=[(e_ж - 1)H + L]e₀ S, (13.6)

где e_ж - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости;

e₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Действие акустического уровнемера (рис.13.6) основано на измерении времени Dt прохождения звукового импульса от излучателя И до поверхности жидкости и обратно до приёмника П. Отражение от поверхности раздела воздуха и жидкости происходит из-за резкого различия их акустического сопротивления. Обычно применяют ультразвук.

Время прохождения звука равно

(13.7) где V_зв - скорость звука в жидкости.

По измеренному времени Dt из (13.7) находят уровень Н.

14. Датчики расхода и счётчики количества вещества

Приборы, измеряющие объём вещества, протекающего через прибор за любой промежуток времени, называются счётчиками. Счётчики подразделяются на объёмные и скоростные.

Простейшим объёмным счётчиком является мерный бак - сосуд, оборудованный уровнемером. Из многообразия объёмных счетчиков жидкостей на судах чаще всего применяют счётчики с овальными шестернями (рис.14.1). В положении а левая Л ведомая шестерня выталкивает объём 0, а правая П ведущая шестерня отсекла дозированный объём 1. В положении б выталкивается объём 1, в то время как шестерня Л отсекает дозированный объём 2. В положении в выталкивается объём 2, а отсекается объём 3. За пол-оборота шестерен, например, от а к в выталкивается два дозированных объёма, а за один оборот - 4 дозированных объёма. Выходным сигналом счётчика является число оборотов любой шестерни, которое прямо пропорционально объему прошедшей через счётчик жидкости.

Скоростной счётчик (рис.14.2) содержит крыльчатку, которая вращается под действием протекающего потока жидкости или газа. Число оборотов крыльчатки пропорционально объёму вещества, прошедшему через счётчик.

Приборы, измеряющие количество вещества, прошедшее через прибор за единицу времени, называются расходомерами, которые подразделяются на расходомеры вращательные, гидравлического сопротивления, индукционные, акустические и др.

Устройство вращательных расходомеров такое же как и рассмотренных выше счётчиков. Отличие только в том, что к ротору счётчика подсоединяется тахогенератор для измерения частоты вращения ротора.

Расходомеры гидравлического сопротивления подразделяются на напорные трубки, расходомеры переменного и постоянного перепада давления.

Измерение расхода напорными трубками (рис.14.3) основано на измерении динамического напора потока вещества.

В минусовой трубке 1 имеется только статическое давление потока, а в плюсовой 2 к статическому напору добавляется динамический напор, равный

р_Д = gv²/2g, (14.1)

где g - удельный вес протекающего вещества, v - скорость движения, g=9,8 м/с².

По скорости движения при известном сечении S трубы определяется расход вещества как: vS, м³/с. Дифманометром ДМ измеряется динамический напор, но шкала может быть проградуирована в единицах расхода.

Более точными и, поэтому, чаще всего применяемыми на практике являются расходомеры на основе сужающих устройств типов диафрагмы (рис.14.3б) и сопла (рис.14.3в). На диафрагме поток сжимается и под действием сил инерции продолжает сжиматься на некотором расстоянии после диафрагмы. Движущей силой потока, определяющей скорость движения вещества через диафрагму, является перепад давлений. В самом узком сечении потока давление минимальное, а перед диафрагмой давление - максимальное. Перепад давления измеряется дифманометром.

На точность измерения расхода диафрагмами оказывают завихрения после диафрагмы. У сопел Вентури таких завихрений нет, поэтому их точность существенно выше.

Принцип действия расходомера постоянного перепада давления - ротаметра (рис.14.4) - основан на вертикальном перемещении поплавка внутри конической трубки по действием восходящего потока жидкости. В положении равновесия поплавка его вес Р уравновешен архимедовой силой rV_П g (r - плотность движущейся жидкости, V_П - объём поплавка, g=9,81 м/с²) и подъёмной силой F_П (р₁-р₂), вызванной перепадом Dp=p₁-p₂ давления (F_П - площадь сечения поплавка):

Р = rV_П g+F_П (р₁-р₂), (14.3)

откуда (14.4)

При увеличении давления р₁ на входе ротаметра подъёмная сила возрастает, поплавок поднимается, площадь S кольцевого сечения увеличивается, а скорость v в этом сечении остаётся постоянной, т.к. постоянен перепад Dp давлений и

(14.5)

Расход через ротаметр равен vS.

В индукционном расходомере (рис.14.5) поток электропроводящей жидкости движется в немагнитной трубе из изоляционного материала. Поток помещён в магнитное поле. Жидкость можно считать состоящей и множества вертикальных проводников. При движении проводников в магнитном поле в них возникает электродвижущая сила (э.д.с.) Е, равная

E=Bdv, (14.6)

где В - индукция магнитного поля внутри трубы;

d - длина проводников, равная внутреннему диаметру трубы;

v - скорость движения жидкости.

При сечении трубы S расход определяется как Sv.

В ультразвуковом расходомере (рис.14.6) имеется два излучателя И₁ и И₂ и два приёмника П₁ и П₂ ультразвука. Время прохождения t₂ звуковой волной расстояния между И₂ и П₂ больше, чем время прохождения t₁ звуковой волной расстояния между И₁ и П₁, так как в первом случае волна звука распространяется навстречу потоку жидкости, а во втором - согласно с потоком.

По разности Dt=t₂ - t₁ определяется скорость v, а затем при известном сечении S трубы определяется расход Sv.

15. Датчики температуры

Датчики температуры - термометры - подразделяются на термометры расширения, электрические термометры, пирометры и др. К термометрам расширения относятся жидкостные (рис.15.1а), дилатометрические (рис.15.1б) и манометрические (рис.15.1в) термометры.

В жидкостном термометре внутри герметичной трубки содержится жидкость (спирт, ртуть и др.), которая при изменении температуры расширяется и высота столба изменяется. Отсчёт, как правило, визуальный по шкале. При использовании термометра в схемах автоматического управления его наполняют электропроводной ртутью и во внутрь трубки вводят электроды - тонкие проволочки. При изменении уровня электроды замыкаются между собой ртутью. Жидкостный термометр инерционный и имеет передаточную функцию вида

(15.1)

Дилатометрический термометр состоит из трубки, изготовленной из материала с большим коэффициентом линейного расширения (меди, латуни и др.), а приваренный к ней внутренний стержень состоит из инвара (сплава кобальта, стали и хрома) с малым коэффициентом расширения (по сравнению с медью в 5 раз меньшим). Трубка помещается в вещество, температура которого измеряется. Выходным сигналом дилатометра является перемещение z верхнего конца стержня. Дилатометры развивают большое усилие на стержне и могут использоваться в регуляторах температуры без применения дополнительных усилителей. Однако чувствительность дилатометров невысока из-за малого перемещения z.

Манометрический термометр состоит из баллона, заполненного рабочим веществом: газом (азотом), высококипящей жидкостью (ртутью, ксилолом), низкокипящей жидкостью, образующей в баллоне насыщенные пары (различные эфиры). При изменении температуры внутри баллона изменяется давление, которое измеряется либо сильфонным, либо мембранным датчиком давления. Манометрические термометры обладают высокой чувствительностью, могут использоваться в схемах автоматики, так как выходным сигналом является перемещение z. Однако они достаточно инерционны. Передаточная функция

(15.2)

Электрическими термометрами служат термопары, термометры сопротивления и термисторы.

Термопара состоит из спая двух металлов А и В с разной плотностью в них свободных электронов. Оба металла в целом не заряжены, так как в них заряд свободных электронов равен положительному заряду ядер, лишившихся электронов Спай 2 помещается в вещество, температуру которого измеряют, и называют спай горячим спаем измерительной цепи (индекс Г).

Пусть в А плотность свободных электронов выше, чем в В. При соединении их между собой за счёт диффузии электроны из металла А будут перемещаться в металл В. В результате металл В приобретёт отрицательный заряд, а металл А - положительный. Между металлами возникнет контактная разность потенциалов е_ВА(q_Г), которая пропорциональна температуре спая 2, так как с изменением температуры q_Г изменяются плотности свободных электронов.

К холодным концам проводников термопары в точках 1 и 3 подключён измерительный прибор - милливольтметр mV. Милливольтметр и соединительные проводники состоят из металла С. В спаях 1 и 3 образуются контактные разности потенциалов е_АС(q_Х) и е_СВ(q_Х), причём разность этих потенциалов равна разности потенциалов между проводниками А и В, если бы они были бы непосредственно соединены между собой при температуре q_X, т.е.

е_АС(q_Х) - е_СВ(q_Х) = е_АВ(q_Х) (15.3)

Результирующая э.д.с. всей цепи, измеряемая милливольтметром, равна

Е_АВ(q_Г,q_X)= е_АВ(q_Г) - е_АВ(q_Х) (15.4)

Если q_X поддерживается постоянной, то е_АВ(q_Х)=const и Е_АВ(q_Г,q_X)= f(q_Г), т.е. показания милливольтметра пропорциональны температуре q_Г.

Материалы термопар А и В, как правило, редкие металлы и, поэтому, очень дорогие. На практике только спай 1, помещаемый в зону измерения с высокой температурой выполняется из таких металлов. За пределами зоны до прибора линии связи выполняются из дешевых компенсационных проводов, у которых такие же плотности свободных электронов, что и у металлов А и В, но провода не выдерживают высоких температур. Компенсационные провода входят в комплект поставки термопары. Характеристики термопар приведены в табл.15.1.

Табл.15.1

Тип	qмакс	Чувстви-тельность мкВ/град	Компенсационные провода
ТПП (платина-платинородий)	-20...1300	6,4...12	Медь и платино-
ТПР (платинородий)	300...1600	3,5..12,4	родиевый сплав ТП
ТХА (хромель-алюмель)	-50...1000	32...42	Медь и константан
ТХК (хромель-копель)	-50...600	65...86	Хромель и копель

Собственно термопара малоинерционна, постоянная времени не выше 1 секунды. В защитном чехле инерционность термопары имеет порядок 10...60 секунд.

Измерение температуры термометрами сопротивлений (рис.15.3) и термисторами основано на свойстве проводников и полупроводников изменять своё активное сопротивление при изменении температуры

R_q =R₀(1+aq), (15.5)

где R₀ - сопротивление проводника при 0⁰С;

a - температурный коэффициент сопротивления, определяющий температурную чувствительность датчика.

Характеристики термометров сопротивления приведены в табл.15.2.

Табл.15.2

Тип	R0, Ом	Градуи-ровка	qмин ...qмакс, 0С	a, 1/град
ТСП (платиновый)			0...650	0,00397
			-200...500	0,00397
			-200...500	0,00397
ТСМ (медный)			-50...180	0,00426
			-50...180	0,00426

Зависимость между температурой и сопротивлением линейная, однако чувствительность невелика.

Высокую чувствительность, на 1...2 порядка выше, чем у термометров сопротивления имеют термисторы - сопротивления из полупроводников. Однако их характеристика нелинейная, стабильность характеристики невысокая.

И термисторы, и термометры сопротивления имеют такие же показатели инерционности, как и термопара.

16. Датчики перемещения и угла поворота

В автоматических системах существует самостоятельная задача измерения величин перемещения и угла поворота механизмов. Но эта же задача требуется как вспомогательная для преобразования величин перемещений и поворотов в электрический сигнал во всех рассмотренных выше датчиках, так как системы автоматики в подавляющем большинстве электрические.

Датчики перемещения и угла поворота подразделяются на потенциометрические, индукционные, трансформаторные, сельсинные и др.

Потенциометрический датчик (рис.16.1) содержит переменный резистор с сопротивлением R, к которому подведено напряжение питания Е. Движок перемещается на величину z. С части сопротивления r резистора, пропорционального перемещению или углу поворота z, снимается напряжение U, величина которого равна (16.1)

Недостаток потенциометрического датчика состоит в наличии изнашивающегося скользящего контакта.

Простой индуктивный датчик перемещения (рис.16.2а) содержит сердечник 2, на котором намотана катушка, и якорь 1. К цепи последовательно соединённых X_L и R подведено переменное напряжение Е питания. При изменении зазора d между сердечником и якорем изменяется индуктивное сопротивление X_L - при увеличении d сопротивление X_L уменьшается. Эквивалентная электрическая схема датчика приведена на рис.16.2б. Выходное напряжение U равно

(16.2)

График зависимости между перемещением d якоря и напряжением U нелинейный (рис.16.2в). Датчик применяется, в основном, как сигнализатор крайних положений якоря.

Для точных измерений перемещения чаще всего используются либо индуктивный, либо трансформаторный дифференциальный датчик положения. Трансформаторный дифференциальный датчик (рис.16.3) состоит из первичной обмотки w₁ трансформатора и двух вторичных обмоток w₂ и w₃. На пути магнитных потоков Ф₁₂ и Ф₁₃, связывающих первичную обмотку с вторичными, расположен стальной сердечник, который может перемещаться внешней силой на расстояние d. В среднем положении сердечника по отношению к обоим вторичным обмоткам магнитные потоки Ф₁₂ и Ф₁₃ одинаковые, поэтому одинаковые и напряжения U₂ и U₃ вторичных обмоток. Обмотки w₂ и w₃ включены по напряжениям встречно. Выходное напряжение датчика U=U₂ - U₃ =0. Если сердечник сдвинется от этого положения вправо, то магнитная связь между w₁ и w₃ усилится, а между w₁ и w₂ станет слабее. Поэтому будет Ф₁₃>Ф₁₂, U₃>U₂ и U=U₂ - U₃.¹ 0. При смещении влево также будет U=U₂ - U₃.¹ 0, но фаза напряжения U изменится на 180⁰. Этот датчик обладает высокой точностью и линейностью зависимости напряжения U от перемещения d.

Для измерения угла поворота и дистанционной (на расстояние) передачи его значения, как например, в САУ курсом судна для передачи в авторулевой угла поворота пера руля, служит сельсин. Ниже рассмотрена схема дистанционной передачи угла поворота (рис.16.4).

Сельсин состоит из неподвижного статора, на котором расположена обмотка w_C, и ротора, который может поворачиваться и на котором расположены три обмотки под углом 120⁰ между собой. Обмотки ротора имеют названия: обмотка фазы А, обмотка фазы В и обмотка фазы С. Сельсины соединяются между собой одноименными обмотками. Один из сельсинов является сельсином-датчиком (СД), а другой - сельсином-приёмником (СП). На обмотки статора w_СД и w_СП подаётся переменное напряжение U. Протекающие в этих обмотках переменные токи создают переменные магнитные потоки Ф_СД и Ф_СП, направленные по осям обмоток. Эти потоки, пронизывая обмотки роторов индуктируют в них электродвижущие силы (э.д.с.), которые в цепях замкнутых обмоток создают токи. В частности, поток Ф_СД индуктирует э.д.с. с роторе СД, эти э.д.с. создают фазные токи I_A, I_B и I_C, а токи создают магнитные потоки обмоток фаз. Суммой фазных магнитных потоков является магнитный поток Ф_РД ротора СД. По правилу Ленца магнитный поток Ф_РД будет направлен навстречу потоку Ф_СД, т.е. препятствовать изменению Ф_СД.