Выбор элементов систем автоматизации

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИБОРАХ И СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Все выпускаемые промышленные приборы и средства автоматизации подразделяют на четыре группы:

приборы для получения информации о состоянии ТП;

приборы для приема, преобразования и передачи информации по каналам связи;

приборы для преобразования, хранения и обработки информации и формирования команд управления;

приборы для использования командной информации в целях воздействия на ОУ.

Наиболее распространены электрические приборы, которые делят на пять групп:

I — технические средства непосредственного взаимодействия с объектом автоматизации, преобразующие параметры в унифицированный электрический сигнал (средства контроля и сигнализации) или унифицированный сигнал в управляющее воздействие на процесс (исполнительные органы);

II —вторичные приборы и регуляторы со встроенным датчиком для простых локальных систем автоматизации;

III —средства централизованного контроля, регулирования и управления для сложных систем автоматизации;

IV — средства контроля, регулирования и управления для централизованных АСУ ТП на базе управляющей вычислительной техники и телемеханики;

V — средства вычислительной техники для решения задач автоматизации процессов организационно-экономического управления производством и предприятиями.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И УСТРОЙСТВА Для успешного синтеза САУ необходимо не только определить оптимальный закон управления, но и правильно выбрать измерительное устройство, исполнительный механизм и регулирующий орган.

Следует учитывать, что в рабочем диапазоне изменения регулируемой величины статическая характеристика измерительного устройства должна быть по возможности линейной. Динамическая характеристика измерительного устройства должна иметь минимальное запаздывание, а постоянная времени — минимальное значение по сравнению с постоянной времени ОУ. Мощность, развиваемая измерительным устройством, должна быть больше мощности, необходимой для перемещения регулирующего органа регулятором прямого действия, или достаточной для нормальной работы регулятора непрямого действия.

Тип измерительного устройства определяется видом регулируемого параметра (давление, температура, скорость и т. п.), физической природой преобразованного сигнала (электрический импульс, механическое воздействие и т. д.), требуемой точностью и зависимостью показаний от условий измерения (запыленность среды, вибрация и т. д.).

Рассмотрим принципы действия, особенности конструкции и характеристики устройств для измерения некоторых параметров, наиболее часто встречающихся в практике автоматизации сельскохозяйственного производства.

Давление и разрежение измеряют в основном с помощью механических устройств (пружин, мембран, сильфонов), деформируемых или перемещаемых на величину, пропорциональную значению измеряемого параметра.

Статическая характеристика устройств этого типа определяется отношением:

где F— эквивалентная площадь упругого элемента; р — измеряемое давление; К* — жесткость упругого элемента.

Динамические характеристики измерителей давления описываются передаточными функциями инерционных или колебательных звеньев.

Разность давлений измеряют дифференциальными манометрами, выходная величина S которых пропорциональна разности контролируемых давлений. Механические измерители используют для давления в диапазоне от 10^-2 до 100 МПа.

Помимо механических, применяют электрические измерители давления на базе тензодатчиков, пьезорезисторов, магнитоупругих элементов и т. п. В динамическом отношении эти измерители соответствуют безынерционным звеньям, коэффициент преобразования которых определяется конструктивными особенностями измерителя.

Температуру измеряют с учетом зависимости от нее некоторых физических параметров. Работа преобразователей этой группы основана на тепловом расширении твердых тел, жидкостей или газов (биметаллические, дилатометрические, манометрические измерители), изменении сопротивления проводников и полупроводников (терморезисторы) или изменении термо-ЭДС, возникающей в двух проводниках разной физической природы при наличии разности температур в точках их соединения (термопара).

Принцип действия дилатометрических и биметаллических измерительных преобразователей основан на различии коэффициентов теплового расширения твердых тел, из которых выполнены чувствительные элементы. Дилатометрический преобразователь представляет собой трубку со стержнем, по перемещению свободного конца которого оценивают температуру измеряемой среды. Свободный конец биметаллического преобразователя изгибается в сторону с меньшим коэффициентом линейного расширения.

В манометрическом преобразователе изменение температуры вызывает изменение давления в замкнутом объеме, заполненном жидкостной или газовой средой. О температуре судят по величине перемещения конца манометрической пружины.

Основные характеристики наиболее распространенных измерителей температуры представлены в таблице 1.4.

1.4. Характеристики измерителей температуры.

Уровень жидкости чаще всего измеряют с помощью поплавка, плотность которого меньше плотности жидкости, или погруженного поплавка, плотность которого больше. В первом случае следят за поплавком, находящимся на поверхности жидкости, во втором — измеряют выталкивающую силу, действующую на поплавок.

Кроме поплавковых, применяют также измерители, фиксирующие массу сосуда с жидкостью, гидростатическое давление или электрическое сопротивление (активное и емкостное) в зависимости от уровня контролируемой жидкости.

Динамическая характеристика большинства измерителей уровня описывается передаточной функцией безынерционного звена с коэффициентом передачи К, определяемым конструкцией устройства.

Расход измеряют в массовых (т, кг/с) или объемных (К, м³/с) единицах. Связь между ними определяется соотношением т = Ур (здесь р — плотность измеряемой среды, кг/м³).

Расход жидкости или газа при р = const можно измерить с помощью специально устанавливаемого в трубопроводе сужающегося устройства, перепад давления Ар на котором пропорционален расходу среды. Этот препарат измеряют дифференциальным манометром. Расходомер такого типа называют дроссельным. В динамическом отношении он эквивалентен безынерционному звену с коэффициентом передачи.

где с — коэффициент, зависящий от геометрической формы и размеров сужающегося устройства, диаметра трубопровода и плотности измеряемой среды.

Статическая характеристика этого измерительного устройства нелинейная.

Для измерения количества вещества (кг) используют скоростные или объемные счетчики, рабочий орган которых — крыльчатка, вращаемая потоком жидкости. Количество жидкости, перетекшей через трубопровод, пропорционально частоте вращения крыльчатки, измеряемой интегрирующим прибором.

Объемный расход жидкости или газа можно определить по скорости их движения с помощью пневмометрической трубки. Последнюю располагают по оси трубопровода навстречу потоку. Она воспринимает динамический напор Др, равный разности между полным и статическим напором.

Динамический напор измеряют дифференциальным манометром, используя показания которого можно вычислить скорость в измеряемой точке сечения:

Перемещение измеряют с помощью датчиков потенциометрического типа, разного рода электромашинными устройствами или индуктивными преобразователями.

Преобразователи потенциометрического типа включают в мостовую схему, питаемую постоянным или переменным током.

К электромашинным преобразователям, осуществляющим синхронную передачу информации, в первую очередь относятся сельсины. Сельсины (или сельсинные пары) в простейшем случае состоят из трех элементов: датчика, приемника и связывающей их цепи. Устройство датчика и приемника одинаково и напоминает асинхронный двигатель с трехфазной обмоткой на статоре и однофазной на роторе. Однофазная обмотка включается в сеть переменного тока, а трехфазные обмотки соединяются между собой.

Однофазный пульсирующий поток, создаваемый первичными обмотками, наводит на вторичных обмотках ЭДС, совпадающие по фазе, но различающиеся по амплитуде в зависимости от положения каждой из трех вторичных обмоток относительно оси первичной обмотки. При одинаковом положении роторов датчика и приемника вторичные ЭДС обеих машин уравновешивают друг друга, и во вторичной цепи ток отсутствует. При повороте ротора сельсина-датчика нарушается равновесие между вторичными ЭДС сельсина-датчика и сельсина-приемника. Вследствие этого возникает уравнительный ток, вызывающий появление крутящего момента, стремящегося повернуть роторы на одинаковый угол. Поскольку ротор сельсина-датчика обычно связан с задающим механизмом и не может свободно поворачиваться, то происходит поворот ротора сельсина-приемника.

Для возможности самосинхронизации сельсины всегда выполняют двухполюсными. Точность работы синхронной передачи в значительной мере определяется крутизной зависимости синхронизирующего момента от угла рассогласования роторов обеих машин. Для увеличения крутизны этой характеристики, особенно в начальной части, первичную обмотку располагают на явно выраженных полюсах, а при неявнополюсном роторе применяют поперечную короткозамкнутую обмотку.

Дифференциально-трансформаторный плунжерный датчик предназначен для измерения значительных перемещений (до десятков миллиметров). Принцип действия датчика основан на зависимости индуктивности катушек от перемещения якоря. Основная особенность датчика — отсутствие электрической связи между цепью питания и измерительной цепью, причем при нагрузке можно получить требуемое значение выходного сигнала за счет изменения коэффициента трансформации.

Дифференциально-трансформаторный плунжерный датчик имеет две первичные обмотки, включенные последовательно и согласованно, а также две вторичные обмотки, включенные последовательно, но встречно. При работе датчика выходное напряжение определяется разностью напряжений вторичных обмоток. Если плунжер не введен в датчик, то напряжения на обеих вторичных обмотках равны между собой. При вводе плунжера на некоторую глубину индуктивность одной вторичной обмотки уменьшается, а другой остается неизменной. Соответственно, и напряжение на первой вторичной обмотке станет больше, чем на второй. Если плунжер введен на всю глубину датчика, то индуктивности вторичных обмоток и напряжения на них вновь выравниваются:

где U" — напряжение питания схемы, В; Л_н — сопротивление нагрузки, Ом; Л — полное сопротивление преобразователя, Ом.

Для сельсинной пары.

для дифференциально-трансформаторного преобразователя.

где f/max— максимальное значение выходного напряжения, В; w, w₂ — число витков первичной и вторичной обмоток преобразователя; 5_0Х — значение входной величины.

Частоту вращения измеряют с помощью механических, гидравлических, частотных и электрических устройств.

К механическим измерителям частоты вращения относят центробежные тахометры. При вращении вала тахометра на грузы действует центробежная сила, под действием которой они расходятся, деформируя пружину и перемещая муфту.

В динамическом измерителе частота вращения преобразуется в давление жидкости, создаваемое насосом. Вал насоса соединяется с валом, частота вращения которого измеряется.

В индукционных измерителях входной вал соединен с постоянным магнитом. При вращении магнита в металлическом диске индуцируется ЭДС, которая создает вихревые токи. От их взаимодействия с полем постоянного магнита возникает момент вращения, значение которого пропорционально частоте вращения входного вала.

Действие электромагнитных измерителей частоты вращения основано на зависимости развиваемой генератором постоянного тока ЭДС от частоты вращения ротора. В динамическом отношении электрический тахометр подобен безынерционному звену.