Основы автоматизации технологических процессов нефтегазового производства

Локальные поверочные схемы - используются метрологическими службами министерств и действуют также и для средств измерений предприятий, им подчиненных. Локальная поверочная схема может распространяться на средства измерений, использующиеся на определенном предприятии Локальные поверочные схемы в обязательном порядке должны отвечать требованиям соподчиненности, утвержденным государственной поверочной схемой. Составлением государственных поверочных схем занимаются научно-исследовательские институты Госстандарта Российской Федерации. Научно-исследовательские институты Госстандарта являются обладателями государственных эталонов.

Ведомственные поверочные схемы и локальные поверочные схемы представляются в виде чертежей.

Государственные поверочные схемы устанавливаются Госстандартом РФ, а локальные поверочные схемы - метрологическими службами либо руководителями предприятий.

В поверочной схеме утверждается порядок передачи размера единиц измерений одной или нескольких физических величин от государственных эталонов рабочим средствам измерений. Поверочная схема должна содержать по меньшей мере две ступени передачи размера единиц измерений.

На чертежах, представляющих поверочную схему, должны присутствовать:

1) наименования средств измерений;

2) наименования методов поверки;

3) номинальные значения физических величин;

4) диапазоны номинальных значений физических величин;

5) допустимые значения погрешностей средств измерений;

6) допустимые значения погрешностей методов поверки [24].



Глава 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Известно [25-29], что автоматизация технологических процессов, эффективное управление агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик - это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик - это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают:

• датчики механических перемещений (линейных и угловых),

• пневматические,

• электрические,

• расходомеры,

• датчики скорости,

• датчики ускорения,

• датчики усилия,

• датчики температуры,

• давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура - 50%, расход (массовый и объемный) - 15%, давление - 10%, уровень - 5%, количество (масса, объем) - 5%, время - 4%, электрические и магнитные величины - менее 4%.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают

• неэлектрические и

• электрические:

• датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения),

• датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения),

• датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения),

• датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

- электрические величины удобно передавать с высокой скоростью на расстояние;

- электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса:

• генераторные и

• параметрические (датчики-модуляторы).

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

По классам различают датчики:

• аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

• цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

• бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам:

- однозначная зависимость выходной величины от входной;

- стабильность характеристик во времени;

- высокая чувствительность;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

- работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.

3.1 Датчики линейного и углового перемещения

Датчик перемещения -- это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам.

Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории

• датчики линейного перемещения и

• датчики углового перемещения (энкодеры).

Датчики линейного перемещения.

По принципу действия датчики линейного перемещения могут быть:

· ёмкостными;

· оптическими;

· индуктивными;

· вихретоковыми;

· ультразвуковыми;

· магниторезистивными;

· потенциометрическими;

· магнитострикционными;

· на основе эффекта Холла.

Емкостные датчики перемещения.

В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь ёмкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идёт об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия.

Поскольку ёмкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение ёмкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Изменение ёмкости можно зафиксировать различными способами (например, измеряя его импеданс), однако в любом случае конденсатор необходимо включить в электрическую цепь.

Другой схемой, где выходным параметром является электрическая ёмкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком (Рис.3.2). Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его ёмкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение ёмкости свидетельствует о перемещении объекта. Кроме того, если сам объект обладает свойствами диэлектрика и имеет подходящие габариты -- он может быть использован непосредственно в качестве диэлектрической среды в конденсаторе.

Оптические датчики перемещения

Существует множество вариаций схем датчиков перемещения, основанных на различных оптических эффектах. Пожалуй, наиболее популярной является схема оптической триангуляции -- датчик положения является, по сути, дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения, что даёт возможность определить длину d -- расстояние до объекта (Рис.3.3). Важным достоинством большинства оптических датчиков является возможность производить бесконтактные измерения, кроме того такие датчики обычно довольно точны и имеют высокое быстродействие.

В другой реализации оптического датчика, предназначенной для регистрации и определения параметров малых перемещений и вибраций, используется двойная решётчатая конструкция, а также источник света и фотодетектор.

Одна решётка неподвижна, вторая подвижна и может быть механически закреплена на интересующем объекте или каким-либо способом передавать датчику его движение. Малое смещение подвижной решётки приводит к изменению интенсивности света, регистрируемой фотодетектором, причём с уменьшением периода решётки точность датчика возрастает, однако сужается его динамический диапазон.

Дополнительными возможностями применения обладают оптические датчики, учитывающие поляризацию света. В таких датчиках может быть реализован алгоритм селекции объектов по отражательным свойствам поверхности, т.е. датчик может «обращать внимание» только на объекты с хорошей отражающей способностью, прочие объекты игнорируются.

Разумеется, чувствительность к поляризации негативно сказывается на стоимости подобных устройств.

Индуктивные датчики перемещения

В одной из конфигураций датчика данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатора (Рис.3.5). Поскольку амплитуда сигнала во вторичной обмотке зависит от потокосцепления, по величине амплитуды вторичной обмотки можно судить о положении сердечника, а значит и о положении внешнего объекта.

Другая конфигурация имеет более простую схему, однако она пригодна лишь для небольшого количества приложений, где требуется определять незначительные перемещения или вибрации объектов, состоящих из ферромагнитного материала. В данной схеме интересующий ферромагнитный объект играет роль магнитопровода, положение которого влияет на индуктивность измерительной катушки.

Вихретоковые датчики перемещения

Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Вблизи интересующего объекта генератор создаёт магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объёме вихревые токи (токи Фуко), которые, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле (Рис. 3.7).

Параметры вторичного поля определяются регистратором, и на их основании вычисляется расстояние до объекта, так как чем объект ближе, тем больший магнитный поток будет пронизывать его объём, что усилит вихревые токи и индукцию вторичного магнитного поля. Подобный принцип используется в ввихретоковых дефектоскопах, однако в них на параметры вторичного магнитного поля влияет не расстояние до объекта, а наличие в его внутренней структуре скрытых несовершенств.

Метод является бесконтактным, однако может применяться только для металлических тел.

Ультразвуковые датчики перемещения

В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара - фиксируются отражённые от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором (Рис.3.8), которые обычно заключены в компактный корпус. Определение временной задержки между моментами отправки и приёма ультразвукового импульса позволяет измерять расстояние до объекта с точностью, доходящей до десятых долей миллиметра. Наряду с оптическими, ультразвуковые датчики на сегодняшний день являются, пожалуй, наиболее универсальным и технологичным бесконтактным средством измерения. Использование этого принципа измерений опять же можно найти в детекторах обнаружения дефектов, только на этот раз уже в ультразвуковых дефектоскопах.

Магниторезистивные датчики перемещения

В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля.

Датчик, как правило, состоит из постоянного магнита и электрической схемы, содержащей включённые по мостовой схеме магниторезистивные пластинки и источник постоянного напряжения (Рис.3.9). Интересующий объект, состоящий из ферромагнитного материала, перемещаясь в магнитном поле, изменяет его конфигурацию, вследствие чего изменяется сопротивление пластинок, и мостовая схема регистрирует рассогласование, по величине которого можно судить о положении объекта.

Датчики на основе эффекта Холла

Датчики этого типа имеют конструкцию подобную конструкции магниторезистивных датчиков, однако в основу их работы положен эффект Холла -- прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

Таким образом, эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности электрических потенциалов U_Н в проводнике с постоянным током I, находящимся под воздействием магнитного поля B. Этот эффект был обнаружен в 1879 году.

В отличие от трансформаторов тока, датчики тока с элементом Холла измеряют как постоянный, так и переменный ток.

Магнитострикционные датчики перемещения

Как правило, магнитострикционный датчик представляет собой протяжённый канал - волновод, вдоль которого может свободно перемещаться постоянный кольцевой магнит. Внутри волновода содержится проводник, способный при подаче на него электрических импульсов создавать магнитное поле вдоль всей своей длины (Рис.3.10). Полученное магнитное поле складывается с полем постоянного магнита, и результирующее поле создаёт момент вращения канала, содержащего волновод (эффект Вайдемана). Импульсы вращения распространяются по каналу в обе стороны со скоростью звука материала канала. Регистрация временной задержки между отправкой электрического импульса и приёма импульса вращения позволяет определить расстояние до постоянного магнита, т.е. определить его положение. Канал может иметь довольно большую длину (до нескольких метров), а положение магнита может быть определено с точностью до нескольких микрометров. Магнитострикционные датчики обладают отличной повторяемостью, разрешением, устойчивостью к неблагоприятным условиям и низкой чувствительностью к температурным изменениям.

Потенциометрические датчики перемещения

Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр (Рис.3.11). Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора). Если через потенциометр пропускать постоянный ток, то падение напряжения на нём будет пропорционально величине сопротивления, и, следовательно, величине линейного перемещения интересующего объекта.

Наряду с механическими датчиками перемещения, потенциометрические датчики получили наиболее широкое распространение в силу своей простоты и низкой стоимости, однако для универсальных, прецизионных и бесконтактных измерений в последнее время всё чаще используются датчики на основе оптических эффектов [30].

3.2 Датчики усилия

Принцип работы датчиков силы базируется на преобразовании усилий, приводящих к деформации чувствительного элемента, в электрический сигнал.

Процесс преобразования включает ряд последовательных операций. Они протекают на физическом и электрическом уровнях. На физическом уровне приложенная сила вызывает деформацию упругого элемента и закрепленного на нем тензодатчика. На электрическом уровне происходит преобразование величины деформации в аналоговый сигнал. В последующих операциях сигнал преобразуется в удобную для пользования форму.

Тензометрический датчик силы представляет собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На подходящих местах тела приклеены чувствительные элементы, так называемые тензометры.

Тензометр -- это резистивный элемент, электрическое сопротивление которого вследствие механической деформации (растяжения или сжатия) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположены четыре тензометра, которые включены в мостовую систему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить.

Тензометрические датчики силы (динамометры) являются неотъемлемым компонентом весоизмерительных систем. Они служат «поставщиком» исходных данных в системах автоматического учета и контроля экономической деятельности любого серьезного предприятия. Без них невозможно построение систем автоматизации технологическими процессами. Сфера их применения - металлургия, строительство, сельское хозяйство, нефтегазовое производство и т. д.

Работа тензометрических датчиков базируется на различных физических явлениях, позволивших создать следующие типы датчиков:

· Резистивные;

· Магнитные;

· Тактильные;

· Пьезорезонансные;

· Емкостные;

· Пьезоэлектрические.

Естественно, что разные физические явления для преобразования величины деформации в электрический сигнал используют различные чувствительные элементы. Ознакомимся с принципами их работы.

Резистивные датчики силы

Из предложенных к рассмотрению датчиков наиболее применяемыми (более 95 %) являются резистивные датчики силы. Это обусловлено широким диапазоном воспринимаемых усилий (5Н - 5МН) и точностью измерения. Они могут использоваться при действии статических и динамических нагрузок. Существенным достоинством этого типа датчиков является линейность выходного сигнала.

Чувствительным элементом датчика является тензорезистор (рис. 3.12). Датчик представляет собой тонкую проволоку, жестко закрепленную на гибкой подложке.

Концы проволоки снабжены выводами для внешних подключений. Зигзагообразно уложенная проволока и места соединения ее с выводами закрыты защитной пленкой.

Тензорезистор подложкой приклеивается к упругому элементу, воспринимающему нагрузку. Последний под действием силы деформируется и вызывает деформацию тензорезистора. Изменение длины проволоки при действии сил растяжения или сжатия приводит к пропорциональному изменению величины ее сопротивления.

Связь между величиной деформации тела и действующей на него силой подчиняется закону Гука. Автор первоначально сформулировал его словами: «каково удлинение, такова и сила». В отношении тензорезистивных датчиков, учитывая изложенное, этот закон можно интерпретировать так: «каково сопротивление, такова и сила».

Обычно тензорезисторы включаются в плечи чувствительных мостовых схем. В этом случае о действующей силе судят по напряжению в диагонали моста.

Магнитные датчики силы

Принцип работы магнитных датчиков силы базируется на явлении магнитострикции, точнее - на обратимости этого явления. Магнитострикционный эффект (изменение геометрических размеров) наблюдается при нахождении тела в магнитном поле. Обратимость обозначает, что принудительное изменение геометрических размеров тела (деформация) обуславливает изменение его магнитных свойств. Это явление получило название магнитоупругого эффекта. Следует отметить, что при снятии деформирующей силы магнитные свойства тела принимают исходное значение.

На физическом уровне эти явления объясняются изменением положения атомов в кристаллической решетке при воздействии внешнего магнитного поля или прикладываемой силы.

Простейший вариант конструкции магнитного датчика силы. На ферромагнитном сердечнике размещена катушка индуктивности. В случае действия на сердечник силы он деформируется и переходит в напряженное состояние.

Изменение состояния сердечника приводит к изменению его магнитной проницаемости. Это обуславливает пропорциональное изменение магнитного сопротивления сердечника. В результате изменяется индуктивность катушки.

Таким образом, трансформация физического воздействия деформирующей силы в электрический сигнал можно отобразить в виде последовательных превращений.

Более распространенными являются магнитные датчики силы с двумя обмотками. Первичная обмотка такого датчика запитана от генератора, во вторичной обмотке наводится ЭДС. При деформации сердечника изменяется магнитная проницаемость и связанная с ней взаимоиндуктивность. Конечным результатом действия силы является изменение эдс во вторичной обмотке датчика.

Тактильные датчики силы

Тактильные (осязательные) датчики являются самыми «молодыми». Их появление обусловлено развитием робототехники и автоматических поточных линий.

Существующая классификация рассматривает три типа тактильных датчиков: касания, усилия и проскальзывания. Первые два типа тактильных датчиков измеряют один и тот же параметр - действующую силу. Отличаются они только видом выходного сигнала. Датчики усилия имеют аналоговый выходной сигнал, а датчики касания - выход релейного типа с регулируемыми уставками.

Реализуются тактильные датчики с использованием различных физических явлений, но принципиальным отличием от других датчиков является их небольшая толщина. Это достигается за счет использования специальных материалов. Они, как правило, обладают гибкостью, эластичностью и прочностью при хорошей электропроводности.

Датчик представляет собой две тонких металлических пластины между которыми расположена ячеистая прокладка из изоляционного материала. Один полюс источника напряжения подключен к верхней пластине. Второй - через нагрузочный резистор R_н к нижней пластине. Когда к верхней пластине в районе ячейки прикладывается внешняя сила, пластина, прогибаясь, замыкается с нижней. Через резистор протекает ток, а падение напряжения на нем служит выходным информационным сигналом.

Он представляет собой два параллельных слоя 1 и 2 пьезоэлектрических пленок, разграниченных акустически проницаемым слоем 3. К нижней пьезопленке подключен генератор и при его работе она колеблется с генерируемой частотой. При этом такие же колебания возбуждаются в промежуточном слое и в верхней пьезопленке. На противоположных поверхностях последней возникает разность потенциалов. Напряжение с верхней пленки подается на усилитель и синхронный детектор, формирующий выходной сигнал с учетом амплитуды и фазы.

При воздействии на верхнюю пленку деформирующей силы, характеристики всех слоев изменяются, что приводит к пропорциональному изменению выходного сигнала.

Пьезорезонансные датчики силы

В датчиках силы этого типа используются оба эффекта, свойственные пьезокристаллическим материалам: прямой и обратный пьезоэффекты.

Чувствительным элементом датчика является механический резонатор. Колебания резонатора, возбуждаемые напряжением питающего генератора (обратный пьезоэффект), обуславливают его напряженное состояние. В свою очередь такое состояние вызывает возникновение соответствующих зарядов на электродах пьезоэлемента (прямой пьезоэффект).

Результатом одновременного электрического возбуждения колебаний резонатора и снятия электрического сигнала является возникновение резонансных колебаний.

Известно несколько вариантов включения пьезорезонансных датчиков силы в измерительные схемы.

В схемах с применением автогенераторов резонатор используется в задающих цепях. Деформация резонатора внешней силой изменяет частоту генератора пропорционально приложенному усилию.

В другом варианте такой же схемы внешнее воздействие вызывает изменение положения электродов относительно резонатора, что также приводит к изменению частоты.

Деформирующая сила, воздействуя на резонатор, приводит к изменению частотных настроек фильтра и пропорциональному изменению выходного напряжения.

Емкостные датчики силы

Емкостные датчики силы относятся к параметрическим. Конструктивно они представляют конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин с зазором между ними.

Емкость такого конденсатора пропорциональна площади пластин, диэлектрической проницаемости материала зазора и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.

Изменение какого либо из перечисленных параметров приводит к изменению емкости, которую можно измерить соответствующей аппаратурой. Это положение используется при построении емкостных датчиков силы.

Для удобства пользования величину емкости преобразовывают в легко измеряемую величину, например, в ток, напряжение или частоту. Для преобразования применяются мостовые, резонансные или другие электрические схемы.

В зависимости от способа воздействия внешней силы на элементы датчика могут быть реализованы различные варианты емкостных датчиков силы

Обычно в емкостных датчиках силы используют вариант с изменением диэлектрической проницаемости при сжатии диэлектрика Конструктивно емкостной датчик состоит из корпуса с упругим элементом, через который усилие передается на диэлектрик.

Пьезоэлектрические датчики силы

Основой работы датчиков силы этого типа является прямой пьезоэффект, которым обладают некоторые материалы. К ним относятся природные кристаллы кварца и турмалина, искусственные кристаллы фосфата аммония и титаната бария.

Эти кристаллы обладают большим пьезоэффектом и высокой механической прочностью, химически устойчивы. Их пьезоэлектрические свойства незначительно изменяются в широком диапазоне температур. Геометрическая форма кристалла не влияет на свойства кристалла.

Суть пьезоэлектрического эффекта заключается в следующем. В момент действия силы на пластину из пьезоэлектрического материала, на ее поверхностях возникают разноименные заряды. Их величина пропорциональна приложенной силе.

Конструктивно пьезоэлектрический датчик силы (рис. 3.19) состоит из корпуса 1, в котором установлены две пьезопластины 2 с расположенным между ними выводом 3. Вторым выводом служит корпус датчика. На его основании расположена нижняя пьезопластина.

В момент приложения силы на нажимное устройство 4 пьезоэлектрические пластины сжимаются и генерируют напряжение, которое поступает на вход усилителя.

Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения динамически действующих сил.

3.3 Датчики скорости вращения

Датчики скорости вращения представляют собой, так называемые, частотные датчики. Их принцип действия состоит в преобразовании скорости вращения (углового перемещения) в частоту изменений потока энергии (электрического тока или напряжения). Скорость вращения в технике представляет собой число оборотов в единицу времени и носит название частоты вращения (измеряется в Гц).

Выходной сигнал датчика скорости вращения может быть представлен в виде синусоидального изменения величины (напряжения) или в виде последовательности коротких импульсов. Для использования в цифровых системах контроля последний вид сигнала более предпочтителен.

Два метода измерения угловых скоростей вращения:

1. абсолютный метод; основан на определении числа оборотов вала и измерении соответствующего промежутка времени;

2. метод сравнения числа оборотов; основан на сравнении при помощи измерительных средств числа оборотов испытываемого вала с известной частотой какого-либо независимого периодического процесса.

Прибор для измерения угловых скоростей в технике называется тахометром. Обычно при помощи тахометров измеряют среднюю скорость вращения, постоянную в заданном промежутке времени.

Тахометры представляют собой современные модули автоматики и могут применяться в системах управления автоматическими линиями, станками и т.д.

Принцип работы тахометров. С помощью кнопок на лицевой панели задается установка количества импульсов датчика на оборот вала, которая высвечивается на индикаторе, и запоминается в энергонезависимой памяти. Ввод установки аналогичен вводу у счетчиков. На вход тахометра поступают импульсы с датчика (индуктивного/оптического или другого выключателя), контролирующего одну или несколько меток на валу. По частоте следования импульсов производится вычисление частоты вращения вала (обороты в минуту) и выдача значения на индикатор.

Классификация датчиков скорости вращения

1. По способу воспроизведения показаний:

• приборы с непосредственным отсчетом и

• самопишущие.

2. По принципу конструктивного выполнения:

• механические и

• электрические.

Различают следующие механические тахометры:

• центробежные,

• часовые,

• дифференциальные,

• вибрационные,

• фрикционные,

• гидравлические,

• пневматические,

• суммирующие и др.

Современные электрические методы измерения скоростей вращения можно разделить на две основные группы:

1. приборы, измеряющие напряжение датчика, пропорциональное измеряемым скоростям, U=f(n);

2. приборы измеряющие частоту переменного тока датчика, пропорциональную измеряемой угловой скорости вращения, F=f(n).

Индукционные датчики скорости вращения преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия основан на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно закону Фарадея, индуцированное напряжение или электродвижущая сила (ЭДС) в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, сквозь поверхность ограниченную этим контуром, т.е.

e = -dц/dt. (3.1)

Следовательно, магнитный поток, пересекающий контур, описывается функцией вида:

ц(x) = ц₀F(x), (3.2)

где x - переменная углового положения.

Отсюда видно, что относительное перемещение между источником потока и контуром наводит в последнем ЭДС, амплитуда которой пропорциональна скорости перемещения, вследствие чего на выходе датчика формируется сигнал:

e = - ц₀(F(x)/dx)*(dx/dt). (3.3)

В качестве датчиков скорости вращения обычно применяют тахогенераторы, выполненные в виде небольших генераторов постоянного или переменного тока с независимым возбуждением от постоянного магнита.

Тахогенераторы постоянного тока.

В зависимости от способа возбуждения выполняют двух типов: магнитоэлектрические (возбуждаемые от постоянных магнитов) и электромагнитные (возбуждаемые от специальной обмотки) (рис. 3.20 а, б).

Напряжение на выходе тахогенератора при постоянном потоке возбуждения

U_вых = Е - IR_я = С_ещ - IR_я, (3.4)

где С_е = (U_я - I_яR_я)/щ - постоянная машины, определяется из паспортных данных.

На холостом ходу (I=0) напряжение U_вых = Е = С_ещ.

Следовательно, статическая характеристика тахогенератора U_вых= f (щ) при холостом ходе линейна, так как С_е = const (прямая I, рис. 3.20, в).

При нагрузке статическая характеристика становится нелинейной (кривая 2) изменяется ее наклон, что является следствием реакции якоря и падения напряжения в обмотке якоря тахогенератора. В реальных тахогенераторах возникает падение напряжения на щетках, что приводит к появлению зоны нечувствительности (кривая 3).

Для уменьшения искажения статических характеристик тахогенераторов используют при небольших нагрузках (I_н = 0,01 - 0,02 А). Ток в цепи якоря I_я=Е/(R_я + R_н), а выходное напряжение U_вых = Е - IR_я = С_ещ - IR_я.

Тахогенераторы постоянного тока широко применяются в автоматических системах регулирования электроприводов в качестве датчиков частоты вращения. Их достоинство - малая инерционности высокая точность, малые габариты и масса, а для магнитоэлектрических тахогенераторов еще и отсутствие источника питания. Недостаток - наличие коллектора со щетками.

Тахогенераторы переменного тока.

Различают:

• синхронные тахогенераторы и

• асинхронные тахогенераторы.

Синхронные тахогенераторы - однофазная синхронная машина с ротором в виде постоянного магнита (рис. 3.21, а), У синхронных тахогенераторов с изменением угловой скорости вместе с амплитудой изменяется и частота выходного напряжения. Статические характеристики нелинейны. В динамической отношении синхронные тахогенераторы являются безинерционными элементами.

Асинхронный тахогенератор - это двухфазная асинхронная машина с полый немагнитным ротором (рис. 3.21, б). На статоре асинхронного тахогенератора размещаются две сдвинутые на 90 обмотки (возбуждения ОВ и генератора ОГ). Обмотка ОВ подключается к источнику переменного тока.

В обмотке OГ, являющейся выходной, при вращении ротора наводятся ЭДС трансформации и вращения. Под действием ЭДС вращения на выходе тахогенератора возникает напряжение U_вых.

Статическая характеристика асинхронного тахогенератора также нелинейна. При изменении вращения ротора фаза выходного напряжения изменяется на 180°.

Асинхронные тахогенераторы используют как датчики угловой скорости, частоты вращения и ускорений. В последнем случае обмотка возбуждения асинхронного тахогенератора подключается к источнику постоянного тока.

Достоинства асинхронных тахогенераторов - надежность, малая инерционность. Недостатки - наличие на выходе остаточной ЭДС при неподвижном роторе, относительно большие габариты.

Тахометрические мосты

Тахометрические мосты постоянного и переменного тока применяют в системах автоматики для создания обратной связи по частоте вращения электрических двигателей. Это позволяет упростить систему, так как отпадает необходимость в дополнительной электрической машине - тахогенераторе. При этом уменьшаются статические и динамические нагрузки на исполнительный двигатель.

Тахометрический мост постоянного тока представляет собой специальную мостовую схему (рис. 3.22, а), в одно из плеч которой включен якорь двигателя R_я, а в другие - резисторы R₁, R₂, R_n. К диагонали аb моста подводится напряжение сети U, питающее якорь двигателя, а с диагонали cd снимается напряжение U_вых пропорциональное угловой скорости щ.

Если ток в выходной цепи отсутствует, то

; (3.5)

(3.6)

(3.7)

U; (3.8)

. (3.9)

Решая совместную систему уравнений, получим

(3.10)

Напряжение на выходе тахометрического моста



. (3.11)

где k_тм - коэффициент передачи тахометрического моста.

Погрешность тахометрического моста составляет ±(2 - 5)%. В динамическом отношении тахометрические мосты постоянного тока являются безинерционным звеном.

Для контроля частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя применяют бесконтактное измерительное устройство (рис. 3, б), содержащее измерительный трансформатор тока ТА и напряжения TV.

Фотоэлектрические датчики скорости вращения регистрируют изменение светового потока, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин.

В качестве датчика скорости вращения применяется фотоэлектрический датчик с прерывателем.

Устройство фотоэлектрического датчика с прерывателем: фотосопротивление, диск с калиброванными отверстиями, который насаживается на вал измеряемого объекта. Фотосопротивление подключается последовательно с сопротивлением к источнику постоянного напряжения.

Принцип действия. Освещенность рабочей поверхности фотосопротивления прерывается диском с отверстиями (прорезями). Если фотосопротивление не освещено, по нему течет темновой ток I_T. В случае освещенности фотосопротивления, по нему течет световой ток I_C.

Так как проводимость фотосопротивления при облучении его световым потоком F растет, то его световое сопротивление R_C становится меньше темнового сопротивления R_Т.

При вращении диска освещенность фотосопротивления модулируется, и в его цепи течет пульсирующий ток. Таким образом, ток, проходящий через фотосопротивление, является функцией светового потока F. Частота пульсаций тока определяется числом отверстий в диске и его скоростью вращения:

F_Д = n/60·S, (3.12)

где n- скорость вращения диска, об/мин;

S- число отверстий в диске.

Достоинства: универсальность, простота конструкции, широкий рабочий диапазон измеряемой синхронной частоты, малая нагрузка на вал испытываемого объекта, возможность простого промежуточного преобразования частоты обычных серийных датчиков.

Емкостные датчики скорости вращения используются для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

Устройство: конденсатор переменной емкости C с воздушным диэлектриком, маломощный трансформатор, со вторичной обмотки которого снимается сигнал, напряжение которого пропорционально скорости вращения. Емкостные датчики питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.

Принцип действия датчиков этого типа основан на изменении зарядного тока конденсатора пропорционально скорости изменения его емкости.

Т.е. вспомним принцип определения емкости конденсатора. Выражается это действие при помощи следующей формулы:

С= eе?S/д, (3.13)

где S - площадь конденсаторной пластины,

e - относительная проницаемость диэлектрического материала, использованного в конструкции конденсатора,

е? - диэлектрическая проницаемость вакуума,

д -толщина пластины диэлектрика, или же расстояние между несколькими слоями материала.

Таким образом, из приведенной формулы следует, что изменить емкость конденсатора легко. Достаточно как-то подействовать на площадь пластины диэлектрического материала, на расстояние между пластинами или непосредственно на проницаемость использованного при производстве материала. Соответственно, выбор конкретной величины зависит исключительно от перечня задач, которые конструкторы поставили перед прибором. Таким образом, можно даже сделать емкостной датчик своими руками, так как с конструктивной точки зрения это - обычный плоский или цилиндрический конденсатор, одна из пластин которого постоянно испытывает контролируемое перемещение в пространстве, что приводит к изменению емкости. Следует помнить, что приведенная выше формула верна только в том случае, если вы полностью пренебрегаете краевыми эффектами. Следует знать, что такого рода электронные приборы интенсивно используются для измерения угловых и линейных перемещений предметов, вычисления размеров, прикладываемой работы, влажности, концентрации действующего вещества и прочих характеристик.

Что касается конструктивной стороны вопроса, то упомянутые КИПы изготавливают плоскопараллельными, в цилиндрических корпусах, со штыревыми электродами, с прокладкой из диэлектрического материала и вовсе без него [31].

Достоинства: простота, высокая чувствительность и малая инерционность.

Недостатки: влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

Ультразвуковые датчики скорости вращения применяются для измерения скорости вращения деталей, установленных в труднодоступных местах или для измерения в агрессивных средах.

Устройство. Датчик состоит из генератора ультразвуковых колебаний, излучающей головки, вертушки, вращающейся в трубопроводе, принимающей головки и демодулятора.

Принцип действия основан на различном поглощении или отражении ультразвуковых колебаний разнородными средами. При вращении металлической вертушки за счет различной проводящей способности жидкости и металла несущая частота ультразвуковых колебаний модулируется частотой вращения вертушки. С приемной головки сигнал поступает на измерительную аппаратуру. После демодуляции сигнала получается напряжения с частотой, пропорциональной скорости вращения вертушки.

Достоинства: высокая точность измерения.

Недостатки: шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение.

Магниторезистивные датчики скорости вращения преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в изменение сопротивления ферромагнитных материалов.

Устройство. Датчик состоит из измерительной катушки, которая снабжается магнитным сердечником. Катушка помещена перед диском или перед вращающимся ферромагнитным телом (рис. 3.23).

Принцип действия основан на магниторезистивном эффекте. Этот эффект заключается в том, что некоторые ферромагнитные материалы изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. На магнитный сердечник катушки воздействует поток индукции постоянного магнита. Последовательность скачков магнитных свойств диска или вращающегося тела вызывает периодическое изменение магнитного сопротивления в магнитной цепи катушки, которое наводит в ней э.д.с. с частотой, пропорциональной скорости вращения.

Магнит, установленный на оси вращения, при каждом обороте проходит один раз мимо магниторезистивного датчика, вызывая изменение его сопротивления.

Изменение сопротивления с помощью схемы, показанной на рис. 3.24, преобразуется в изменение напряжения U_а. Зависимость выходного напряжения сигнала от времени.

Достоинства: простота устройства, надёжность, дешевизна.

Благодаря своим достоинствам микроэлектронные магниторезистивные датчики скорости вращения нашли широкое применение в автомобильной и бытовой технике.



Глава 4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

4.1 Методы электрических измерений

Мостовая и компенсационная измерительные схемы.

Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса: непосредственной оценки и сравнения.

При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется редко, так как ему свойственны значительные погрешности (особенно при изменении напряжения питания датчика).

Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются:

· мостовые,

· дифференциальные и

· компенсационные схемы измерения.

Мостовые измерительные схемы применяют постоянного и переменного тока. Существуют мостовые схемы уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты балансировки не требуют. Уравновешенный мост представляет собой схему (Рис. 4.1, а), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R₁ R₂, R₃, R_t. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением R_E и измерительный прибор с сопротивлением R_np. В четырехугольнике также есть две диагонали, в одну из которых включен миллиамперметр, а в другую - источник тока. Для подстройки моста одно плечо (R₃) является переменным сопротивлением.

Закон уравновешенного моста: произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.

R₁/R₂=R₃/R_t или R₁·R_t=R₂·R₃. (4.1)

Если необходимо вычислить неизвестное сопротивление датчика, то можно включить его в одно из плеч моста, вместо резистора R₄· и воспользоваться формулой:

R_t=R₂·R₃/R₁. (4.2)

Ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания:

I_np=U(R₁R_t-R₂R₃)/M. (4.3)

Основной характеристикой любой схемы является ее чувствительность. Она определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали ?I_np к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста:

S_сх =?I_np /?R, (4.4)

?I_np=U?RR_t/M , (4.5.)

где ?I_np - результирующий ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, A; U - напряжение питания, В; М - входное напряжение, В.

Неуравновешенный мост представляет собой схему (Рис.4.1, б), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R₁ R₂, R₃, R₅, R_t. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением R_E и измерительный прибор с сопротивлением R_np. Для подстройки моста одно плечо (R₅) является переменным сопротивлением.

В качестве измерительного прибора в неуравновешенных мостах используются амперметры (так как токи невелики, то обычно мили- и микроамперметры). Неуравновешенный мост подчиняется тем же законам, что и уравновешенный.

Компенсационные схемы используют для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение. Сигнал датчика сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемым потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически.

Компенсационная схема с ручным уравновешиванием, представлена на рисунке 4.2, а. Измеряемая ЭДС Е_х или напряжение U_х уравновешиваются напряжением U_к, снимаемым с резистора R_к, представляющего собой часть резистора R. Все сопротивление резистора R включено в цепь источника питания с ЭДС Е. Схема состоит из двух прямоугольников. В нижней части находится датчик, имеющий сопротивление R_д. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. В состав схемы включен прибор, называемый нуль - индикатором (НИ), который служит для определения нулевого значения тока после компенсации.

Для поддержания стабильного тока питания I можно использовать регулировочный резистор R_рег и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения как в автоматическом потенциометре.

Ток прибора:

I_пр =(U_х-U_к )/(R_д +R_к+R_пр ), (4.6)

где R_д- сопротивление датчика, R_к - сопротивление резистора, R_пр- сопротивление прибора, U_к - компенсирующее напряжение, U_х - измеряемое напряжение.

Чувствительность компенсационной схемы можно определить как отношение приращение тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения:

S_сх =?I_np /?U_х (4.7)

?I_np=?U_х/(R_аб+R_пр+R_д), (4.8)

R_аб - внутреннее сопротивление электрической цепи питания,

R_аб=((R_к(R-R_к+R_рег))/(R_к+R_рег). (4.9)

Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Дифференциальная схема - это гибрид мостовой и компенсационной схем. Состоит из двух смежных контуров с источником питания, а измерительный прибор включен в общую ветвь контуров и реагирует на разность контурных токов. В дифференциальной схеме могут быть использованы параметрические (с изменяющимся сопротивлением) и генераторные (с изменяющейся ЭДС) датчики.

Дифференциальная схема включения параметрических датчиков показаны на рисунке 4.3., а (датчик включен в один контур). Дифференциальная схема включения генераторного датчика показана на рисунке 4.3, б. В этой схеме датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор.

Для расчета токов в дифференциальной схеме используют метод наложения: сначала определяют токи от одной ЭДС, а затем от другой.

Изменение тока через прибор будет рассчитываться:



(4.10).

где - ток через прибор при включении параметрических датчиков в один контур;

- ток через прибор при включении параметрических датчиков в оба контура.

4.2 Методы и средства измерения температуры

Одним из параметров, наиболее часто подлежащих контролю и регулированию для корректного протекания технологического процесса, является температура. Температурой называют величину, характеризующую степень нагретости вещества. Это понятие связано со способностью тела с более высокой температурой передавать свое тепло телу с более низкой температурой. Переход тепла продолжается до тех пор, пока температуры тел не сравняются и не наступит термодинамическое равновесие системы. Одновременно с переходом тепла и изменением температуры тел меняются их физические свойства. Единица измерения температуры носит название «градус».

Классификация средств измерений температуры.

Приборы для измерения температуры разделяются в зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения, на следующие группы:

- термометры расширения;

-манометрические термометры;

-электрические термометры сопротивления;

-термоэлектрические преобразователи (термопары);

-пирометры излучения.

Термометры. Решающий вклад в развитие конструкции термометров внёс немец Габриэль Даниэль Фаренгейт. В 1709 году он изобрёл спиртовой термометр, а в 1714 - ртутный. Он придал им ту же форму, что применяется и сейчас. Успех его термометров следует искать во введенном им новом методе очищения ртути; кроме того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке.

Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 г. он предложил применять в термометрах спирт, а в 1731 году изобрёл водно-спиртовой термометр. И поскольку Реомюр нашел, что применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°.

Температурные шкалы.

Существует несколько градуированных температурных шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра, в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а за 100 градусов - температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы. Когда стали использовать термометры, оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий - астрономию), который еще в 1838 году предложил за 0 температуры принять температуру плавления льда, но, похоже, не додумался до второй реперной точки. К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0°C по-прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении, которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99,975°C, что не отражается на точности измерения практически всех термометров, кроме специальных прецизионных.

Известны также температурные шкалы Фаренгейта, Кельвина, Реомюра и др. Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имеет три фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° - температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32, а для обратного перевода - формула °C =(5/9)(°F-32). Обе шкалы - как Фаренгейта, так и Цельсия, - весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю - точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая - абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°Rа) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7° R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,16, а градусы Фаренгейта - в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7. в Европе долгое время была распространена шкала Реомюра, введённая в 1730 г Рене Антуаном де Реомюром. Она построена не произвольным образом, как шкала Фаренгейта, а в соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000:1080). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R., но в настоящее время вышла из употребления.