ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ 13 страница

В качестве преобразователя скорости вращения в частоту могут исполь­зоваться любые электрические преобразователи, способные отмечать полные или дольные значения оборотов валов. К ним относятся емкостные (контакт­ные и бесконтактные), индуктивные, индукционные, электретные, оптические, радиоизотопные типы датчиков. Измерительными приборами частотных дат­чиков скорости являются цифровые или аналоговые частотомеры. Принципы устройства различных типов частотных датчиков тахометров и их функции преобразования приведены в табл. 8-1.

10* 291

Типы и принципы устройства частотных датчиков тахометров

Функция преобразовании частотных датчиков

Типы и принципы устройства частотных датчиков тахометров

Функция преобразования частотных датчиков

где /—выходная частота напряжения постоянного тока или тока повышенной частоты; р — число пар по­люсов или число стальных зубцов; п — число оборотов объекта в секунду

Электретные

f~kn_t

где k — число электретов на окружности вращающейся части

Индукционные модуляторные (с посторонним возбуждением)

Индукционные с магнитной головкой

Амплитуда постоянного на­пряжения пропорциональна скорости. Амплитуда напря­жения повышенной частоты не зависит от значения ско­рости вращения

f = n_f

где / — выходная частота напряжения постоянного тока или тока повышенной частоты; п — число оборотов объекта в секунду

где N — число периодов си­нусоидальных или импульс­ных колебаний на окруж­ности барабана; /—выход­ная частота напряжения постоянного тока или тока повышенной частоты; п — число оборотов объекта в се­кунду

Индуктивные

Взаимоиндуктивные

Емкостные контактные

/ = тп, где т — число зубцов сталь­ных дисков

Амплитуда выходного на­пряжения не зависит от скорости вращения

где N — число периодов П-образных импульсов или пар зубцов диска

Продолжение

Пр од ол ж е н ие

Типы и принципы устройства частотных датчиков тахометров

Функция преобразования частотных датчиков

Типы и принципы устройства частотных датчиков тахометров

Функция преобразования частотных датчиков

Емкостные бесконтактные

^Радиоизотопныи

Фотоэлектрический оптический с зубчатым диском

Фотоэлектрический оптический с разными коэффициентами отражения

где поступательная ско­рость движения рейки; А/ — длина отверстия с пе­ремычкой

/ —- тп, i где т — число зубцов диска (с разными коэф­фициентами отражении)

Часто в датчиках тахометров используются емкостные и индуктивные преобразователи (см. в табл. 8-1), не имеющие особых преимуществ перед ин­дукционными, кроме независимости амплитуды выходного сигнала от изме­ряемой скорости. В частности в ЦБП широко применяют индуктивные пре­образователи для измерения скорости бумаго- и картоноделательных машин.

Схема частотного индуктивного тахометра типа ИТ-500 представлена на рис. 8-7. При вращении зубцы диска / проходят в рабочем зазоре сердеч­ников 3 с катушками индуктивности 2, включенных в контур высокочастот­ного (1,8 МГц) генератора Г. При наличии зубца в зазоре резко ухудшается добротность контура за счет вносимых активных потерь и происходит срыв колебаний генератора. При выходе зубца из зазора колебания восстанавли­ваются.

Таким образом, определенной скорости чередования зубцов и впадин диска соответствует определенная частота модуляции добротности контура й частота следования «пачек» высокочастотных колебаний. Последние после усиления и детектирования в формирователе Ф в виде однополярных корот­ких импульсов измеряются частотомером Ч. Разрешающая способность датчика— 480 импульсов на оборот. При максимальной скорости 20 об/с, принятой для электропривода бумажкой машины К-15, он обеспечивает ча­стоту следования выходных импульсов 9600 Гц.

Конструктивно катушки индуктивности контура генератора выполнены на двух ферритовых П-образных сердечниках <?, помещенных в текстолито­вую обойму с прорезью, через которую при вращении проходит зубец диска В корпусе импульсного тахометра размещены также все элементы электри­ческой схемы датчика, включая усилитель и формирователь Ф.

Время цикла измерения и индикации скоростей составляет 0,5—0,7 с при относительной приведенной погрешности измерения 0,01—0,02 %• Послед­няя определяется погрешностью квантования, которая составляет при отсчете =Ы импульс последней декады. Кроме того, в погрешность входит нестабиль-

ность кварцевого генератора, задающего время измерения, равная ±(10"³— ю-⁴)%.

В индуктивном датчике тахометра ИТ-500 предусмотрен режим работы с большим временем цикла измерения для получения усредненного отсчета скорости.

На основе датчиков типа ИТ-500 создан цифровой измеритель скорости типа ЦЙС-3 [5]. Он предназначен для измерения скорости, а также абсолютного и относительного значения разности скоростей вращения валов бумаго- и картоноделательных машин одновременно.

Технические характеристики ЦИС-3

С помощью фотоэлектрического датчика обрыва обеспечивается автоматиче­ское отключение счетчика площади при обрыве полотна и автоматическое его включение после заправки полотна. Датчик среза и электромеханическое уст­ройство, входящее в счетчик, предназначены для устранения повторного учета срезанного с рулона слоя дефектной бумаги.

При настройке счетчика корректируется только ширина рулонов, полу­чаемых после резки, и не учитывается диаметр ведущих валов. С примене­нием счетчика исключается операция вычисления площади полотна по пере­счетным таблицам, в которых площадь определяется в зависимости от числа оборотов ведущего вала, его диаметра и ширины рулона.

Диапазон измеряемых скоростей, м/мин....................................................... .. О—999,9

Абсолютная погрешность измерения скорости, м/мин.............................. 0,1/0,2

Время цикла измерения скорости, с.............................................................. 3,5

в том числе время индикации, с................................................................. 2,8

Диапазон измеряемых абсолютных значений разности скоростей,

м/мин..................................................................................................................... ±102,4

Абсолютная погрешность измерения разности скоростей, м/мин . . 0,1
Время цикла измерения, с................................................................................ 0,84

в том числе время индикации, с................................................................. 0,77

Диапазон измеряемых относительных- значений разности скоро-
стей, %.................................................................................................................. ±10,24

Время цикла измерения (на максимальной скорости), с........................... 1,09

в том числе время индикации, с................................................................. 0,97

На измерении скорости вращения ведущих валов бумаго- и картонодела­тельных машин основаны специальные устройства для подсчета площади из­готовляемого полотна, широко применяемые в ЦБП и называемые счетчи­ками метража полотна. По принципу действия, устройству и схемам измери­тельных цепей они аналогичны рассмотренным выше цифровым устройствам измерения скорости.

Основной трудностью при создании подобных приборов является учет проскальзывания полотна относительно ведущих валов, которое зависит от скорости движения, характеристик полотна и места установки датчиков (та­хометров). Несмотря на недостатки (неоднозначность результатов отсчета) счетчиков указанного типа, последние довольно широко используются в ЦБП, поскольку принципы построения приборов для измерения скорости поступа­тельного движения полотна (например, с помощью меток) пока не нашли применения в технических измерительных устройствах.

Структурная схема счетчика площади полотна (м²) приведена на рис. 8-8. От ведущего вала 1 с помощью фрикционной муфты 2 приводится во вращение бесконтактный индуктивный датчик 5, аналогичный по устрой­ству рассмотренному индуктивному датчику ИТ-500. Он преобразует обороты вала в электрические импульсы, которые поступают через коммутационный блок 4 в счетное устройство 5. Со счетным устройством связаны цифровые индикаторы 6.

В счетчик входит датчик обрыва полотна 8, датчик среза полотна 7, а также пульт с блоками измерения, управления и цифровой индикации.

Глава 9

УСТРОЙСТВА ДИСТАНЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. УНИФИЦИРОВАННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Для передачи измерительной информации на расстояния ис­пользуются телеизмерительные устройства. Телеизмерительные устройства бывают ближнего, среднего и дальнего действия. В технологических производствах применяют, как правило, те­леизмерительные устройства ближнего действия, иначе назы­ваемые устройствами дистанционных передач. С помощью этих устройств осуществляется передача измерительной информации на расстояния от нескольких десятков метров до 10—20 км.

Устройства передач измерительных сигналов в соответствии со структурной схемой рис. 2-1 содержат передающее устрой­ство, линию связи индивидуальной передачи сигналов и прием­ное устройство.

Измерительный сигнал, получаемый на выходе первичного измерительного преобразователя, может быть достаточно уни­фицированным и удобным для передачи его на некоторое рас­стояние. Примером может служить передача от датчиков термо­метров электрического сопротивления и термоэлектрических тер­мометров к соответствующим измерительным приборам. Однако в большинстве случаев первичные измерительные преобразова­тели имеют на выходе измерительные сигналы, которые нуж­даются в дополнительном преобразовании с целью получения удобных унифицированных сигналов для передачи их по линиям связи к приемным устройствам — показывающим и самопишу­щим приборам. В этом случае после первичных измерительных преобразователей применяют унифицирующие преобразователи, которые преобразуют выходные измерительные сигналы в уни­фицированные сигналы для конкретных систем дистанционных передач (дифференциально-трансформаторной, ферродинамиче-ской) или в стандартный сигнал ГСП с целью передачи их по

линиям связи. Унифицирующие преобразователи могут быть конструктивно оформлены в единое целое с первичными преоб­разователями, составляя датчики, или в виде отдельных бло­ков— вторичных унифицированных измерительных преобразо­вателей.

В комплектах устройств при передаче показаний на расстоя­ния могут применяться унифицированные преобразователи для перехода от одной системы сигналов к другой, например от од­ной ветви ГСП, электрической, к другой, пневматической.

Большое количество общих технологических и теплоэнерге­тических величин, а именно: давление, перепад давлений (рас­ход), плотность, уровень, вязкость, температура, скорость вра­щения и др., легко преобразуются в силу, линейное или угловое перемещение. В системе ГСП для измерения этих величин по­строены датчики с механической компенсацией измеряемой ве­личины. Датчики состоят из первичного измерительного преоб­разователя измеряемой величины в силу, угловое или линейное перемещение и унифицированного измерительного преобразова­теля силы или перемещения для преобразования последних в стандартный пневматический или электрический сигнал. Уст­ройство и характеристики первичных измерительных преобразо­вателей технологических величин в силу или перемещение рас­смотрены в соответствующих главах.

Унифицированные преобразователи силы или перемещения в стандартные сигналы ГСП могут быть построены по трем структурным схемам, которые представлены на рис. 9-1.

Схема (рис. 9-1,а), известная под названием компенсации перемещения, имеет на входе первичный измерительный преоб­разователь ПИП с выходной величиной в виде перемещения. В ПИП технологическая величина X преобразуется в силу F_x, а затем в перемещение 1_Х или угол поворота ц>_х. Преобразова­тель перемещения с обратной связью ИП имеет унифицирован­ный сигнал давления Р_в или тока /_в.

В статической схеме (рис. 9-1,6) с силовой компенсацией измеряемую величину X, преобразованную в силу F_x (или мо­мент М_х) первичным преобразователем, компенсируют уси­лием F_oc (или моментом М_ос), развиваемым в ИП цепью обрат­ной связи. Вследствие статизма системы полное равенство F_x и F_oc недостижимо, поскольку измеряемое усилие F_x частично тратится на преодоление сил трения и жесткости в системе.

Астатическая схема (рис. 9-1, б) с полной силовой компен­сацией содержит интегрирующее звено #77₄ в прямой цепи пре­образования ИП (примером такого звена может служить элект­родвигатель). При этом уравновешивание F_x усилием обратного преобразователя ОИП F_oc происходит до порога чувствительно­сти индикатора рассогласования ИП₂.

В первой структурной схеме первичный измерительный пре­образователь не охвачен обратной связью и все его погрешно­_сТИ (нелинейности, гистерезиса, температурная) непосредст­венно войдут в погрешность датчика. В схеме с силовой ком­пенсацией перемещения чувствительных упругих элементов, как правило, малы (что определяется статизмом системы), поэтому погрешности элементов не оказывают заметного влияния на погрешность датчика в целом. В астатической структурной схеме используется ряд дополнительных преобразователей, что усложняет конструкцию датчиков.

№

I

life. а

.л

ПИП

в

Рис. 9-1

В связи с этим в датчиках ГСП с силовой компенсацией при­меняется схема, изображенная на рис. 9-1,6. Другими словами, все датчики ГСП имеют конструктивно встроенный уравнове­шивающий преобразователь силы в стандартный электрический или пневматический сигнал. Эти преобразователи выпускаются отдельными блоками и могут быть использованы для перехода от одних физических величин к другим (из одной ветви ГСП в другую) с помощью дополнительных измерительных преобра­зователей. Рассмотрим устройство этих преобразователей.

Унифицированный пневмосиловой преобразователь. На рис. 9-2, а представлена принципиальная схема устройства пнев-мосилового преобразователя ГСП. Преобразователь имеет ры­чажную систему /, на которую действует усилие Р, пропорцио­нальное измеряемой величине. Это усилие уравновешивается через корректор 2 усилием сильфона Р_ос, реализующего обрат­ную связь. При измерении Р незначительное перемещение ры­чага 1 вызывает изменение положения заслонки 4. Последняя входит в систему сопло — заслонка 5, являющуюся индикатором рассогласования в этом уравновешенном преобразователе. При перемещении заслонки 4 изменяется давление сжатого воздуха, поступающего в пневматический усилитель 6. После усилителя воздух поступает в сильфон обратной связи 7 и одновременно в линию дистанционной передачи. Усилие обратной связи Р_ос уравновешивает входное усилие Р до тех пор, пока не наступит равновесие сил, действующих на рычаг /.

д Рис. 9-2

Унифицированный электросиловой преобразователь. Этот пре­образователь (рис. 9-2, б) устроен аналогично пневматическому. Флажок 4, связанный с рычажной системой /, входит в диффе­ренциально-трансформаторный преобразователь 5, используе­мый в качестве индикатора рассогласования. При изменении силы Р на выходе индикатора появляется напряжение перемен­ного тока. Напряжение подается на вход электронного усили­теля 6. Выходной сигнал постоянного тока после усилителя по­ступает в линию дистанционной передачи и в последовательно соединенную обмотку рамки 7 магнитоэлектрического преобра­зователя 8, который развивает усилие обратной связи P_oc = kl (или для ферродинамического преобразователя P_0C = kI^z), дей­ствующее на рычажную систему 1 до тех пор, пока флажок 4 не примет первоначального положения.

Настройка чувствительности пневмосилового и электросило­вого преобразователей производится перемещением корректора 2, что изменяет передаточное отношение рычажной системы, а установка нуля при помощи пружины корректора нуля 3, оп­ределяющей начальное усилие.

Унифицированный частотно-силовой преобразователь (рис. 9-2,в)- Он имеет рычаг 1, на который воздействует измеряемое усилие Р. Перемещаясь, рычаг натягивает струну 3, являю­щуюся измерительным преобразователем силы (перемещения) в частоту.

Струнный преобразователь представляет собой немагнитную плоскую струну 3, помещенную в поле постоянного магнита 6. Один конец струны укреплен на подвижном рычаге 1, а другой в специальном устройстве 7, которое предназначено для регули­рования первоначального натяга струны, но длина струны / остается постоянной. Струна изготавливается из кобальто-вольфрамовых сплавов с плоским сечением (отношение тол­щины к ширине принимается равным 1 : 10), и с длиной, в 800— J000 раз превышающей исходный диаметр провода. В качестве струны часто используют растяжки для электроизмерительных механизмов. Частота собственных поперечных колебаний струны

' 2 V ml 21 V Р 2 V Pl^s '

где F, с, Д I — сила натяга, механическая напряженность, удлинение струны соответственно; m, I, р, Е — масса, длина, плотность и модуль упругости ма­териала струны соответственно.

Для возбуждения механических колебаний струны и преоб­разования их в частоту переменного электрического тока ис­пользуется магнитоэлектрический обратимый преобразователь, состоящий из струны и постоянного магнита 6. Струна включена в цепь обратной положительной связи, охватывающей электрон­ный усилитель 5. Ток от усилителя, проходя по струне, взаимо­действует с полем постоянного магнита и развивает усилие, перемещающее струну. Струна начинает двигаться и в ней на­водится ЭДС пропорциональная активной длине струны (длине магнита), скорости ее движения в магнитном поле и магнитной индукции поля. ЭДС струны является входным сигналом уси­лителя 5. Частота переменного электрического тока в контуре этой замкнутой системы, называемой струнным генератором, .определяется собственной резонансной частотой струны, кото­рая пропорциональна УР. Пределы изменения выходного сиг­нала 1500—2500 Гц. Начальное значение частоты (1500 Гц) устанавливается натяжением струны с помощью пружин 2 и устройства 7, а изменение чувствительности достигается уста­новкой определенного отношения плеч рычага 1 путем измене­ния его длины в опоре 4. Усилитель смонтирован под общим ко­жухом с преобразователем. Выходной сигнал может переда­ваться на расстояние до 10 км и более с помощью двухжильного кабеля.

Унифицированные преобразователи для датчиков с выход­ным сигналом в виде ЭДС или сопротивления. Для наиболее распространенных датчиков разработан ряд унифицированных измерительных преобразователей, осуществляющих преобразо­вания выходных сигналов датчиков в унифицированные или стандартные сигналы.

Такими унифицированными преобразователями для термо­электрических термометров и датчиков с выходным сигналом в виде напряжения являются преобразователи типа ПТ-ТП-68 и НП-ТЛ1. Они основаны на статической компенсации входного сигнала суммой напряжений: напряжения разбаланса измери­тельной мостовой цепи и напряжения цепи обратной связи. He-скомпенсированная часть входного напряжения усиливается усилителем постоянного тока по схеме модулятор — усилитель переменного тока — демодулятор. Выходной ток усилителя ис­пользуется для выходного сигнала и реализации глубокой от­рицательной обратной связи по току с целью стабилизации функции преобразования входного напряжения в выходной ток. При помощи кусочно-линейной аппроксимации обеспечивается линейная зависимость между измеряемой температурой и вы­ходным токовым сигналом 0—5 мА (см. гл. 10, рис. 10-8).

Выход и вход гальванически разделены, поэтому в этих пре­образователях допускается одновременное заземление элект­рода термопары и выходной цепи. Преобразователи надежно работают при наличии наводок переменного тока во входной цепи, что позволяет не экранировать линию связи между термо­парой и преобразователем.

Кроме того, промышленностью стали выпускаться преобра­зователи ТЭДС и ЭДС в частоту электрических импульсов типа ПНС-Т. Они отличаются от описанных выше тем, что не-скомпенсированная часть входного напряжения постоянного тока усиливается, преобразуется в переменное напряжение и подается на управляемый генератор. Выходная частота гене­ратора поступает на преобразователь обратной связи для компенсации выходным сигналом обратной цепи входного пе­ременного напряжения и одновременно на выходное устройство. Последнее представляет собой импульсный трансформатор, вы­дающий два гальванически развязанных выходных сигнала пе­ременной частоты. Диапазон изменения частот от 4 до 8 кГц, а амплитуда напряжения составляет 1,2±0,36 В. Частотный выходной сигнал связан с температурой линейной зависимо­стью.

Для термометров электрического сопротивления использу­ются унифицированные преобразователи типа ПТ-ТС-68 и НП-СЛ1, также работающие на основе метода уравновешиваю­щего преобразования (см. гл. 10, рис. 10-8 и 10-9). Термометр сопротивления включается в одно из плеч неравновесной равно­плечей измерительной мостовой цепи, выходное напряжение разбаланса которой уравновешивается напряжением цепи об­ратной связи. Неуравновешенная часть напряжения усиливается усилителем постоянного тока с токовым выходом от 0—5 мА, Одновременно усиленный сигнал поступает на обратный преоб­разователь для компенсации входного напряжения разбаланса моста. Эти измерительные преобразователи осуществляют ли­нейное преобразование изменения сопротивления в выходной сигнал.

Подключение термометров сопротивления к преобразовате­лям типа ПТ-ТС-68 и НП-СЛ1 осуществляется по трехпровод-* ной схеме (см. 9.2). Экранирование линий связи датчика с пре­образователем не требуется.

Преобразователи электрического сопротивления в частоту электрических импульсов типа ПНС-Р аналогичны по устрой­ству и характеристикам преобразователям ПНС-Т. Ими осуще­ствляются линейные преобразования значений температуры, измеренной термометром электрического сопротивления, в ча­стотный сигнал от 4 до 8 кГц. На вход этих преобразователей подключаются термометры сопротивления по трехпроводной схеме. На выходе имеются по две раздельные выходные цепи для получения частотных сигналов.

Для комбинированных систем передача измерений на рас­стояния и преобразования измерительной информации ведутся устройствами с различными физическими измерительными сиг­налами и источниками питания. При переходе от одного изме­рительного сигнала к другому для унифицированных или стандартных сигналов необходимы различного рода смешанные преобразователи. Электропневматические аналоговые, пневмо-электрические аналоговые и т. д. преобразователи позволяют перейти от одного стандартного сигнала к другому, т. е. связать между собой стандартные ветви ГСП. Рассмотрим смешанные преобразователи, нашедшие наиболее широкое применение в системах измерения и автоматического управления для цел­люлозно-бумажного производства.

Электропневматический преобразователь. На рис. 9-3 изоб­ражен преобразователь типа ЭПП-63, предназначенный для пре­образования сигнала постоянного тока 0—5 мА в стандартный пневматический сигнал 0,02—0,1 МПа. Постоянный ток, проходя по катушке 1, укрепленной на основном рычаге 5, и взаимодей­ствуя с магнитным полем магнита 2, создает усилие, переме­щающее систему рычагов 5 и 7, соединенных гибкой тягой 8. При этом изменяется зазор между соплом 4, укрепленным на рычаге 5, и заслонкой 3, что вызывает изменение давления в ка­мере А. Нарушается равновесие дифференциальной мембраны 9 и положение штоков, жестко связанных с мембраной, что изме­няет степень открытия клапана 11. Давление в камере Б и в сильфоне обратной связи 6 изменяется до тех пор, пока си­стема рычагов не придет в первоначальное положение, что бу­дет соответствовать новым значениям перепада давлений на постоянных дросселях 10 и 12. Выходной сигнал передается на расстояние до 300 м, основная допускаемая погрешность не пре­вышает у = ± 1 ,%.

В качестве аналоговых электропневматических преобразова­телей могут быть использованы также ферродинамические фун­кциональные преобразователи (типа ПФФ) или дифферен­циально-трансформаторные устройства с преобразованием в пневматический стандартный сигнал. При этом датчик воз­действует на изменение взаимоиндуктивности ферродинамичес-

Рис. 9-3

ких или дифференциально-трансформаторных преобразователей, а функциональная зависимость определяется профилем кулачка [1].

Дискретный электропневматический преобразователь. Пред­назначен он для преобразования восьмиразрядного двоичного кода (поступающего от ЭВМ) в пневматический стандартный сигнал 0,02—0,1 МПа. Управление преобразователем осуществ­ляется от вычислительной машины. Принцип действия преобра­зователя основан на суммировании расходов воздуха, проходя­щего через параллельно включенные дроссели с различными условными проходными сечениями при постоянном перепаде дав­ления на них. При этом предусматривается автоматический сдвиг начальной точки диапазона преобразования. Преобразо­ватель состоит из семи регулируемых дросселей, настроенных

_ак, что их условные проходные сечения относятся, как 1:2:4: I g ; 16:32 :64, электропневмопреобразователей, отключающих или подключающих разрядные дроссели, следящей системы ну-евого опорного давления и схем автоматического сдвига на­чала преобразования. Пневматическая часть преобразователя выполнена на базе УСЭППА. Основная погрешность у= ± 1,5 ,%.

Рис. 9-4

Манометрическая трубчатая одновитковая пружина / преоб­разует стандартное давление в усилие, воздействующее на ры­чаг 2, на котором с другой стороны укреплен медный диск 3. Этот диск находится в высокочастотном поле плоской катушки 4 и, перемещаясь, изменяет ее индуктивность, а также постоян­ную составляющую выходного тока LC-генератора 5. Выход­ной ток протекает по катушке 7 обратного магнитоэлектричес­кого преобразователя и, взаимодействуя с постоянным магни­том 8, развивает в катушке усилие, воздействующее на рычаг До тех пор пока не наступит равновесия сил. В блоке 6 распо­ложены электрические цепи для питания генератора, фильтра­ции и смещения выходного тока, а также для проверки исправ­ности элементов преобразователя. Для передачи измерительных сигналов на расстояние необходима линия связи.