Классификация средств измерений

Классификация по измеряемому параметру

· Датчики давления

· Датчики расхода

· Уровня

· Температуры

· Датчик концентрации

· Радиоактивности (также именуются детекторами радиоактивности или излучений)

· Перемещения

· Положения

· Фотодатчики

· Датчик углового положения

· Датчик вибрации

· Датчик механических величин

· Датчик дуговой защиты

Классификация по принципу действия

· Оптические (фотодатчики)

· Магнитоэлектрические (На основе эффекта Холла)

· Пьезоэлектрические

· Тензо преобразователь

· Ёмкостной датчик

· Потенциометрический датчик

· Индуктивный датчик

· Индукционный датчик

Классификация по характеру выходного сигнала

· Дискретные

· Аналоговые

· Цифровые

· Импульсные

Среди стандартных сигналов наиболее удобным и популярным является токовый сигнал 4¸20 мА. Причины этого в следующем.

Сигналы первичных преобразователей, как правило, очень малы. Например, сигналы термопар обычно меньше 50 мВ. В промышленных условиях сильные электромагнитные помехи могут создавать паразитные сигналы, в сотни и тысячи раз превышающие полезные. Сильные токовые сигналы уровня 4¸20 мА работают в низкоомных цепях, которые меньше подвержены такому влиянию. Требования к величине их сопротивления могут быть снижены. При работе с токовым сигналом 4¸20 мА легко обнаружить обрыв линии связи – ток будет равен нулю (т.е. выходить за пределы диапазона). В то же время, обрыв в цепи с сигналом 0¸5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, считается допустимым. Для обнаружения обрыва в цепях с унифицированными сигналами напряжения (0¸1В или 0¸10В) приходится применять специальные схемотехнические решения, на пример, «подтяжку» более высоким напряжением через высокоомный резистор.

Пример 2.1. Необходимо определить тип выходного сигнала с термопреобразователя серии ТСМУ Метран-274.

На сайте производителя термопреобразователя серии ТСМУ Метран-274 (http://www.metran.ru/products/siz/dat/uvs/) приведено следующее описание:

Чувствительный элемент первичного преобразователя и встроенный в головку датчика измерительный преобразователь преобразуют измеряемую температуру в унифицированный выходной сигнал постоянного тока, что дает возможность построения АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей.

Из описания следует что, выходной сигнал датчика – токовый унифицированный. В более подробном описании можно прочитать, что тип сигнала 4-20 мА или 0-5 мА – аналоговый сигнал.

Пример 2.2. Необходимо выбрать тип модуля ввода/вывода контроллера для подключения датчика давления серии Метран-22-АС-1, и объяснить свой выбор (AI, AO, DI, DO).

На сайте производителя датчика давления серии Метран-22-АС-1 (http://www.metran.ru/products/siz/dad/Pressure-Transmitters/metran22/) приведено следующее описание:

Датчики давления серии Метран-22-АС-1 предназначены для непрерывного преобразования значения измеряемого параметра (абсолютного, избыточного давления, разрежения, давления-разрежения, разности давлений) в унифицированный токовый сигнал в системах автоматического управления, контроля и регулирования технологических процессов на объектах атомной энергетики.

Из описания следует что, выходной сигнал датчика – аналоговый унифицированный – для контроллера необходим аналоговый входной модуль – AI.

Исполнительные устройства. Устройство, преобразующее управляющий сигнал регулятора или контроллера в перемещение регулирующего органа (РО), называют исполнительным механизмом (ИМ). Такое устройство обычно состоит из исполнительного двигателя, передаточного или преобразующего узла (например, редуктора), а также систем защиты, контроля и сигнализации положения выходного элемента, блокировки и отключения. РО предназначен для непосредственного воздействия на объект управления путем изменения материальных или энергетических потоков, таким образом ИМ является приводом РО. Поэтому ИМ называют еще сервоприводом. Часто совокупность ИМ и РО называют исполнительным устройством (ИУ).

Большинство управляющих воздействий в тепловой энергетике и других отраслях реализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива, теплоносителя и т.д.). Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано как

F = F (Δ P, ν, ρ, C ₁, C ₂, …),

где Δ P – перепад давления на РО, ν – вязкость, ρ – плотность, С_i – некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока и т.д.

Отсюда видно, что на расход F можно воздействовать:

· путем изменения Δ P (насосные ИУ);

· путем изменения ν или ρ (реологические ИУ);

· путем изменения коэффициентов С_i (дроссельные РО).

Насосные ИУ делятся на группы:

1. С вращательным движением РО;

2. С поступательным движением РО.

Исполнительные устройства реологического типа. Некоторые жидкости и дисперсионные системы могут изменять вязкость под действием электрического поля (например, вазелиновое, трансформаторное, касторовое масла, олефины, алюмосиликаты и др.), т.е. F = F (ν).

ИУ данного типа представляет собой электромагнитный преобразователь, где путем изменения управляющего напряжения осуществляется изменение электромагнитного поля в РО, которое в свою очередь влияет на вязкость ν. При этом расход F на РО изменяется пропорционально вязкости.

Исполнительные механизмы. Классификация исполнительных механизмов (рис. 2.1) производится в первую очередь по виду энергии, создающей усилие (момент) перемещения регулирующего органа. Соответственно, ИМ бывают пневматические, гидравлические и электрические.

Рис. 2.1

В пневматических ИМ усилие перемещения создается за счет давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон; давление обычно не превышает 103 кПа.

В гидравлических ИМ усилие перемещения создается за счет давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть; давление жидкости в них обычно находится в пределах (2,5-20)103 кПа. Отдельный подкласс гидравлических ИМ составляют ИМ с гидромуфтами.

Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые ИМ подразделяются на пружинные и беспружинные. В пружинных ИМ усилие перемещения в одном направлении создается давлением в рабочей полости ИМ, а в обратном направлении – силой упругости сжатой пружины. В беспружинных ИМ усилие перемещения в обоих направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма.

Электрические ИМ по принципу действия подразделяются на электродвигательные (электромашинные) и электромагнитные.

По характеру движения выходного элемента большинство ИМ подразделяются на: прямоходные с поступательным движением выходного элемента, поворотные с вращательным движением до 360° (однооборотные) и с вращательным движением на угол более 360° (многооборотные).

Существуют ИМ, в которых используются одновременно два вида энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмогидравлические. Вид энергии управляющего сигнала может отличаться от вида энергии, создающей усилие перемещения.

В электрических системах автоматизации и управления наиболее широко применяются электромашинные и электромагнитные исполнительные механизмы.

Основным элементом электромашинного ИМ является электрический двигатель постоянного или переменного тока. Такие исполнительные механизмы обычно называют электроприводами, т.к. согласно ГОСТ электропривод - это электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, электрического преобразовательного, механического передаточного, управляющего и измерительного устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Электромагнитные ИМ дискретного действия выполняются в основном на базе электромагнитов постоянного и переменного тока и постоянных магнитов. Жесткое и упругое соединение узлов систем осуществляют различного рода электромагнитные муфты.

Электродвигательные ИМ. В них используют электродвигатели постоянного и переменного тока, в том числе асинхронные двухфазные с полым ротором, с конденсаторами в цепи обмотки управления, а также асинхронные трехфазные двигатели. Исполнительные двигатели постоянного тока имеют независимое возбуждение или возбуждение от постоянных магнитов. Управляют этими двигателями, изменяя напряжение на якоре или на обмотке возбуждения (якорное или полюсное управление).

В большинстве конструкций электрических ИМ применяют двухфазные и трехфазные асинхронные двигатели.

Отечественная промышленность выпускает электродвигательные ИМ с напряжением 220 В или 380 В:

- многооборотные (МЭМ),

- однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360º,

- прямоходовые (МЭП).

Пример маркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный электрический ИМ, момент 6,3 Н×м, время хода 10 с, номинальный ход 0,25 оборота).

Большинство электродвигательных ИМ работает в режиме, когда скорость перемещения не зависит от значения отклонения регулируемого параметра от заданного. Такой ИМ состоит из асинхронного электродвигателя, редуктора, концевых и путевых выключателей, датчиков (преобразователей), тормозного устройства и ручного привода.

Электродвигатель с редуктором служит для преобразования электрической энергии в механическую, достаточную для перемещения РО.

Концевые выключатели используют для отключения пускателя при достижении РО крайних положений, а путевые выключатели – для ограничения диапазона перемещения РО в автоматическом режиме.

Датчики положения формируют сигнал, пропорциональный углу поворота выходного вала ИМ. Этот сигнал используется индикатором положения на пульте оператора, а также, возможно, в качестве сигнала обратной связи по положению ИМ.

Ручной привод обеспечивает возможность ручной перестановки РО при нарушениях работы электрической части механизма.

Включение-отключение электродвигателя по команде регулирующего устройства осуществляется через посредство электромагнитного или полупроводникового релейного устройства-пускателя.

Реверс электродвигателя электромагнитного ИМ с трехфазным электродвигателем обеспечивается изменением схемы подключения двух фаз.

После размыкания силовых контактов и отключения напряжения питания электродвигателя выходной вал ИМ останавливается не сразу, а продолжает в течение некоторого времени движение по инерции. Так называемый «выбег» может существенно ухудшать качество регулирования. Уменьшают выбег с помощью тормоза, представляющего собой электролитический конденсатор С, подключаемый через размыкающие блок-контакты КМ 1 и КМ 2 к одной из статорных обмоток электродвигателя. В результате этого в статорной обмотке появляется ток, наводящий в статоре магнитное поле, которое, взаимодействуя с вращающимся ротором, создает противодействующий вращению тормозной момент, уменьшающий выбег ИМ.

Устройство, позволяющее изменять направление или расход потока вещества или энергии в соответствии с требованиями ТП называют регулирующим органом (РО).

Работоспособность РО определяется его характеристиками: диапазоном регулирования и рабочей расходной характеристикой.

Отношение максимального расхода среды G _max к минимальному G _min соответствующему перемещению РО из одного крайнего положения h _min в другое h _max, называют диапазоном регулирования

R = G _max/ G _min.

Зависимость расхода среды от положения РО h называют рабочей расходной характеристикой

G = f (h).

Множество регулирующих органов также многообразно, как многообразны объекты управления. В качестве примера можно привести основные типы РО, применяемых в системах подачи и перемещения жидких, газообразных и сыпучих материалов. По виду воздействия на объект их можно подразделить на два основных типа: дросселирующие и дозирующие.

Дросселирующие РО изменяют сопротивление (гидравлическое, аэродинамическое) в системе путем изменения своего проходного сечения, воздействуя на расход вещества. Примерами таких РО являются заслонки, диафрагмы, задвижки, краны, клапаны.

Дозирующие РО выполняют заданное дозирование поступающего вещества или энергии за счет изменения производительности определенных агрегатов: дозаторов, насосов, компрессоров, питателей, электрических усилителей мощности.

Рис. 2.2. Регулирующие органы:

a - ленточный питатель (объемный), б –вибрационный питатель;

в –ленточный питатель (скоростной); г – тарельчатый питатель;

д – шнековый питатель; е – секторный питатель; ж –тарельчатый клапан;

з –золотниковый клапан; и –поворотная заслонка

Регулирующие органы характеризуются многими параметрами, основными из которых являются: пропускная и условная пропускная способности, условное и рабочее давление, перепад давления на РО и условный проход.

Пропускной способностью K_v называется расход жидкости с плотностью 1000 кг/м³, пропускаемой РО при перепаде давления на нем 105 Па. Пропускная способность измеряется в кубических метрах в час (м³/ч).

Условной пропускной способностью К_{v у}называется номинальное значение пропускной способности РО при максимальном (условном) ходе затвора, выраженное в кубических метрах в час (м³/ч). Условная пропускная способность зависит от типа РО и размера его условного прохода D _у.

Условным давлением Р _уназывается наибольшее допустимое давление среды на РО при нормальной температуре. Прочность металлов с повышением температуры понижается. Поэтому для арматуры и соединительных частей предусматривается также максимальное рабочее давление.

Максимальное рабочее давление -это наибольшее установленное давление среды на РО при фактической температуре. Рабочее давление при одном и том же условном давлении зависит от свойств металла деталей РО и температуры среды. Разрешается превышение фактического рабочего давления до 5 % сверх установленного для заданной температуры.

Перепад давления на РО определяет усилия, на которые рассчитывают ИМ, а также износ дроссельных поверхностей. Для многих видов исполнительных устройств, в которых затвор не разгружен от статического и динамического воздействий среды, предельно допустимый перепад давления устанавливают в зависимости от мощности ИМ.

Условным проходом D _ув РО называется номинальный диаметр прохода в присоединительных патрубках. Стандартные размеры условных проходов не распространяются на размеры прохода внутри корпуса.

Кроме приведенных параметров РО, определяющих в основном их конструкцию и размеры, имеются и другие параметры, которые учитывают при выборе РО в зависимости от конкретных условий их применения.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте классификацию датчиков.

2. Опишите типы выходных сигналов измерительных преобразователей.

3. Дайте классификацию исполнительных устройств?

4. Какую функцию выполняет исполнительный механизм в системах автоматического управления?

5. Дайте классификацию и поясните принцип работы основных групп исполнительных механизмов (ИМ).

6. Какую функцию выполняет регулирующий орган в системах автоматического управления?

7. Дайте классификацию и поясните принцип работы основных групп регулирующих органов (РО).

Должен знать: классификацию средств измерения и исполнительных устройств; разновидности, принципы действия и характеристики исполнительных механизмов (ИМ); разновидности, принципы действия и характеристики регулирующих органов (РО).

Должен уметь: различать типы выходных сигналов с датчиков и исполнительных устройств, типы управляющих сигналов.