1. Статичні характеристики датчиків. Представлення
статичних характеристик та їх види
Якщо відомі ті чи інші показники елемента, то можна оцінити властивість цього елемента. У автоматики і телемеханіки властивості елементів оцінюються різними показниками, пов'язаними вхідними і вихідними величинами. [1, 21-25]
Функціональна залежність вихідної величини Y від вхідних V, виражена математично або графічно, називається статичною характеристикою елемента Y = f (X).
Елементи, які мають не залежать від часу параметри та лінійні статичні характеристики, називаються лінійними, а що мають нелінійні характеристики - нелінійними елементами.
За статичній характеристиці можна визначити вигляд елемента (датчик, реле). Так, наприклад, якщо статична характеристика елемента неперервна, тобто величина Y знаходиться у певній безперервної залежності від величини X (рис. 1), то такий елемент називають джерелом первинної інформації або сенсором.
Малюнок 1 Малюнок 2
Якщо статична характеристика елемента змінюється стрибком, тобто практично здійснюється включення або відключення при досягненні вхідний величиною X певних, заздалегідь встановлених значень, то такий елемент називається реле (рис. 2).
У залежності від природи контрольованої вхідної величини X реле називаються електричними, тепловими, оптичними. За назвою вхідної величини X реле має уточнююче термін: реле рівня, реле швидкості, реле струму, реле напруги і т. д.
Як датчики, так і реле є основними елементами автоматики. Вони є основними і обов'язковими елементами сприймають блоків (пристроїв). Їх використовують також і в проміжних, і у виконавчих блоках автоматичних систем. Елементи для конкретних автоматичних систем вибирають з ряду показників, їх характеризують, - коефіцієнту передачі, порогу чутливості, похибки.
Коефіцієнт передачі елементу являє собою відношення вихідної величини елемента У до вхідних величиною X, тобто К = Y / X.
У елементів з лінійною статичною характеристикою коефіцієнт передачі - величина постійна, а в елементів з нелінійної - змінна, що залежить від X. Якщо вхідна і вихідна величини елемента мають однакову фізичну природу, тобто однакові розмірності, то коефіцієнт передачі розмірності не має і його називають коефіцієнтом підсилення. При різних розмірностях вхідний і вихідний величин коефіцієнт передачі елементу має розмірність. Стосовно до датчика коефіцієнт передачі називають також чутливістю. Чим більше К, тим більше вихідний сигнал елемента при тому ж зміні вхідної величини і тим менше потрібно буде підсилювати вихідний сигнал до необхідного значення.
Поріг чутливості - це найменше (за абсолютним значенням) значення вхідного сигналу, здатне викликати зміну вихідного сигналу. Інтервал між значенням вхідного сигналу, не надає впливу на значення вихідного сигналу, і значенням вхідного сигналу, який надає вплив на значення вихідного сигналу, називається зоною нечутливості - Δ Хн. Чим більше Δ Хн тим гірше елемент. Наприклад, у електродвигуна поріг чутливості дорівнює напрузі рушання двигуна.
Похибка елемента з'являється через неточну тарировки або градуювання (внаслідок розкиду параметрів) елементів в процесі їх виготовлення (у межах встановлених допусків). У результаті похибки відбувається відхилення характеристики елемента від заданої «ідеальної» статичної характеристики. Похибка елемента може також виникнути в результаті зміни його внутрішніх властивостей (старіння, знос) або зовнішніх чинників (вплив температури, вологості, живлячої напруги).
Розрізняють абсолютну, відносну і наведену похибки.
Під абсолютною похибкою елемента розуміють різницю між отриманим У п і дійсним У значеннями вихідної величини, тобто Δ = У П - Y.
Дійсне номінальне значення вихідної величини - це ідеальне значення вихідної величини при відсутності похибки.
У міру зменшення номінального значення вихідної величини при незмінному значенні абсолютної похибки відносна похибка збільшується.
Похибка, яка виникає при нормальних умовах експлуатації, називається основною похибкою. Умови експлуатації елемента не завжди збігаються з нормальними, тому до основної похибки елемента додається похибка, звана додатковою.
2. Гідравлічні виконавчі механізми, особливості їх
конструкцій і області застосування
Виконавчим механізмом називається [3, с.110 - 116] елемент АСР, що перетворює вихідний сигнал регулятора в переміщення регулюючого органу.
По виду використовуваної енергії виконавчі механізми поділяються на пневматичні, гідравлічні і електричні. У хімічній промисловості найбільше застосування отримали пневматичні та електричні виконавчі механізми.
Гідравлічні виконавчі механізми призначені для перетворення зміни тиску рідини в переміщення регулюючого органу (РО). Гідравлічні ІМ за принципом дії і конструктивним оформленням не мають істотних відмінностей. Однак окремі вузли мають деякі конструктивні особливості.
У промисловості використовують поршневі і мембранні ІМ поступальної дії. У ІМ обертальної дії кривошипно-ползунного типу кут повороту вала становить 300 °. Переміщення поршня в циліндрі перетвориться за допомогою шатуна й кривошипа в кут повороту вихідного валу. У ІМ обертальної дії лопатевого типу, в циліндрі розташована прямокутна лопать, жорстко закріплена на валу, до якого примикає перегородка. Усередині перегородки знаходиться ущільнювальна планка, підтискається до валу пружиною.
Призначення РВ - змінити кількість речовини або енергії подаються на вхід об'єкта регулювання при зміні регулюючого параметра. Вони можуть бути електричні та неелектричні. До електричних відносяться реостати та варіатори. Найбільшого поширення в легкій промисловості отримали неелектричні регулюючі органи: регулюючі засувки або заслінки і регулюючі клапани. Корпус діафрагмонтового клапана футерований. Для футеровки застосовують ебоніт, вініпласт, фторопласт. Регулюючим органом є діафрагма, виконана з гуми, поліетилену або фторопласта. На діафрагму впливає плунжер, що змінює прогин діафрагми при переміщенні штока.
При виборі РВ необхідно враховувати властивості і характеристики середовища (стан, агресивність, здатність до кристалізації та ін), параметри регульованої середовища (температура, тиск, вологість тощо), мінімальні та максимальні витрати середовища через РВ, вплив робочого середовища на роботу РВ (вибухонебезпечність, вібрація) Регулюючий орган повинен бути пов'язаний з виконавчим механізмом.
3 Прилади автоматичного контролю витрати та кількості
Для контролю та управління виробництвом велике значення має вимірювання витрати та кількості різних речовин: газів, рідин, пульп і суспензій. [2, с.185-189] Витрата - це кількість речовини, що протікає через перетин трубопроводу в одиницю часу. Кількість вимірюють в одиницях об'єму (м 3, см 3) або маси (т, кг, г). Відповідно може вимірюватися об'ємний (м 3 / с, м 3 / год, см 3 / с) або масовий (кг / с, кг / год, м / с) витрата.
Для вимірювання витрати речовин застосовують витратоміри, засновані на різних принципах дії. Найбільше поширення для жідкоетей і газів отримали витратоміри змінного і постійного перепаду тисків, змінного рівня і індукційні. Для вимірювання витрати сипучих речовин зазвичай використовують різні ваговимірювальні пристрої. Для вимірювання кількості застосовують витратоміри з інтеграторами або об'ємні та швидкісні лічильники. Інтегратор безперервно підсумовує показання приладу, а кількість речовини визначають по різниці його показань за фебуемий проміжок часу.
Слід зазначити, що вимірювання витрати та кількості є складним завданням, оскільки на показання приладів впливають фізичні властивості вимірюваних потоків: щільність, в'язкість, співвідношення фаз у потоці та м. п. Фізичні властивості вимірюваних потоків, у свою чергу, залежать від умов експлуатації, головним чином від температури і тиску.
Якщо умови експлуатації витратоміра відрізняються від умов, за яких проводилася його градуювання, то помилка в показаннях приладу може значно перевищити допустиму величину. Тому для серійно випускаються приладів встановлені обмеження області їх застосування: за властивостями вимірюваного потоку, максимальній температурі і тиску, утримання твердих частинок або газів в рідині і т.п.
Малюнок 3 - а - діафрагма, б - сопло Вентурі, в - труба Вентурі
Витратоміри змінного перепаду тиску. Дія цих витратомірів грунтується на виникненні перепаду тисків на звужуючому пристрої в трубопроводі при русі через нього потоку рідини чи газу. При зміні витрати Q величина цього перепаду тисків Ар також змінюється.
Найбільш простим і поширеним звуження потоку є діафрагма (рис. 3, а). Стандартна діафрагма являє собою тонкий диск з круглим отвором у центрі. Від стійкості діафрагми і особливо вхідної крайки її отвори істотно залежить точність вимірювання витрати. Тому діафрагми виготовляють з матеріалів, хімічно стійких до вимірюваної середовищі і стійких проти механічного зносу. Крім діафрагми в якості звужуючих пристроїв застосовують також сопло Вентурі (рис. 3 б), трубу Вентурі (рис. 3, в), які створюють менший гідравлічний опір у трубопроводі.
Звуження потоку витратоміра змінного перепаду тисків є первинним перетворювачем, в якому витрата перетвориться в перепад тисків.
Проміжними перетворювачами для витратомірів змінного перепаду тисків служать дифманометри. Дифманометри пов'язані з звуження потоку імпульсними трубками і встановлюються в безпосередній близькості від нього. Тому в витратомірах змінного перепаду тисків зазвичай використовують дифманометри, забезпечені проміжним перетворювачем для передачі результатів вимірювань на щит оператора (наприклад, мембранні дифманометри ДМ).
Так само як при вимірюванні тиску і рівня, для захисту дифманометрів від агресивного впливу вимірюваного середовища застосовують розділові судини і мембранні роздільники.
Особливістю первинних перетворювачів витратомірів змінного перепаду тисків є квадратична залежність перепаду тисків від величини витрати. Щоб показання вимірювального приладу витратоміра лінійно залежали від витрати, у вимірювальну ланцюг витратомірів змінного перепаду тисків вводять лінеарізующій перетворювач. Таким перетворювачем служить, наприклад, блок лінеаризації в проміжному перетворювачі. При безпосередньому зв'язку дифманометра з вимірювальним приладом лінеаризація проводиться в самому приладі за допомогою лекала з квадратичною характеристикою.
Витратоміри постійного перепаду тисків. Витрата рідини чи газу можна вимірювати і при постійному перепаді тисків. Для збереження постійного перепаду тисків при зміні витрати через звуження потоку необхідно автоматично змінювати на відповідну величину площа його прохідного перерізу. Найбільш простий спосіб - автоматична зміна площі прохідного перерізу в ротаметри (рис. 4).
Ротаметр (малюнок 4) являє собою вертикальну конусну трубку 2, в якій знаходиться поплавець. Вимірюваний потік Q, проходячи через ротаметр знизу вгору, створює перепад тисків до і після поплавця. Цей перепад тисків, у свою чергу, створює підйомну силу, яка врівноважує вагу поплавця.
Якщо витрата через ротаметр зміниться, то зміниться і перепад тисків. Це призведе до зміни підйомної сили і, отже, до порушення рівноваги поплавця. Поплавець почне переміщатися. А так як трубка 2 ротаметра конусна, то при цьому буде змінюватися
площа прохідного перетину в зазорі між поплавцем і трубкою. У результаті, відбудеться зміна перепаду тисків, а отже, і підйомної сили. Коли перепад тисків і підйомна сила знову повернуться до колишніх значень, поплавець урівноважиться і зупиниться.
Малюнок 4 - Ротаметр - 1 - поплавець, 2 - конусна трубка. 3 - шкала
Таким чином, кожному значенню витрати через ротаметр Q відповідає певне положення поплавця. Так як для конусної трубки площа кільцевого зазору між нею і поплавцем пропорційна висоті його підйому, то шкала ротаметра виходить рівномірною.
Промисловість випускає ротаметри зі скляними і металевими трубками. У ротаметрів зі скляною трубкою РМ шкала нанесена прямо на поверхні трубки. Такі ротаметри можуть застосовуватися при тиску в трубопроводі до 6-10 5 Па.
Для дистанційного вимірювання положення поплавця в металевій трубці використовують проміжні перетворювачі лінійного переміщення в уніфікований електричний або пневматичний сигнал. У ротаметри з електричним вихідним сигналом (наприклад, Ред) поплавець з'єднаний з сердечником диференційно-трансформаторного перетворювача. У ротаметри з пневматичним вихідним сигналом (наприклад, РПД) для передачі положення поплавця проміжного перетворювача використовується магнітна муфта.
Випускаються також ротаметри РПФ для вимірювання витрати сільноагрессівних середовищ. У таких ротаметрів всі деталі, дотичні з вимірюваним середовищем, виготовлені з фторопласту-4. Ротаметри P П O обладнані паровим обігрівом. Вони призначені для вимірювання витрати кристалізуються середовищ.
Витратоміри змінного рівня. З гідравліки відомо, що якщо рідина вільно витікає через отвір у дні бака, го її витрата Q н рівень в баку Н пов'язані між собою. Отже, за рівнем в баку можна судити про витрату з нього.
На цьому принципі заснована дія витратомірів змінного рівня (малюнок 5). Очевидно, що роль первинного перетворювача тут виконує сам бак з отвором 2 в дні. Вихідний сигнал такого перетворювача-рівень в баку. Тому проміжним перетворювачем вимірювальної ланцюга витратоміра змінного рівня може служити будь-який з розглянутих рівнемірів.
Малюнок 5 - Витратомір змінного рівня, 1 - бак, 2 - отвір.
Малюнок 6 - Індукційний витратомір: 1 - трубопроводів, 2 - електромагніт, 3 - магнітні силові лінії, 4,6 - електроди, 5-вимірювальний блок, 7 - шар електроізоляції
Витратоміри змінного рівня зазвичай використовують для вимірювання витрати агресивних і забруднених рідин при зливі їх у ємності, що знаходяться під атмосферним тиском.
Індукційні витратоміри. Дія індукційних витратомірів засноване на законі електромагнітної індукції, згідно з яким у провіднику, що рухається магнітному полі, буде наводитися е.р.с, пропорційна швидкості руху провідника. В індукційних витратомірах (рис. 6) роль провідника виконує електропровідних рідина, що протікає по трубопроводу 1 і перетинає магнітне поле 3 електромагніту 2. При цьому в рідині буде наводитися е.. д. с. U, пропорційна швидкості її руху, тобто витраті рідини.
Вихідний сигнал такого первинного перетворювача приймається двома ізольованими електродами 4 і 6, встановленими в стінці трубопроводу. Ділянка трубопроводу по обидві сторони від електродів покривають електроізоляції 7, щоб виключити шунтування наводимой е.р.с. через рідину і стінку трубопроводу.
У витратомірах ІР-11 і ІР-51 вимірювальна схема, виконана у вигляді окремого блоку 5, преобразут наводяться е.р.с. U в уніфікований струмовий сигнал i.
Відстань між первинним перетворювачем і вимірювальним блоком не повинно перевищувати 100 м при електропровідності вимірюваного середовища до 5 * 10 2 Див / м та 10 м при електропровідності середовища до 10 -3 См / м. Опір навантаження не повинно перевищувати 2,4 кОм.
Ступінь агресивності вимірюваних середовищ для індукційних витратомірів визначається матеріалом ізоляції труби і електродів первинного перетворювача. № витратомірах ІР для цієї мети використовують гуму, кислотостійку емаль і фторопласт. Найбільш стійким до впливу агресивних середовищ є витратомір з фторопластовим ізоляційним покриттям і електродами з графитизированного фторопласту.
У процесі експлуатації витратомірів ІР періодично, не рідше одного разу на тиждень повинні перевірятися нуль і градуювання приладу. Для перевірки первинний перетворювач заповнюють вимірюваної рідиною. Після цього перемикач режиму роботи на передній панелі вимірювального блоку переводиться в положення «Вимір» і потенціометром «Нуль» стрілку вимірювального приладу встановлюють на нульову позначку. При перекладі перемикача в положення «Калібрування» стрілка приладу повинна зупинитися на позначці 100%. В іншому випадку стрілку виводять на цю позначку потенціометром «Калібрування».
Література
Головінський О.І. Основи автоматики .- М. .1987 .- с.21
Камрезе О.М., Фитерман М.Я. Контрольно - вимірювальні прилади і автоматика. - М., 1980.-с.110