Датчики и приборы для измерения уровня жидкости 2 страница

1,0—при работе с реверсивным валом; 1,5—при работе с нереверсивным валом. Тахометр может быть использован для определения частоты вращения вала диаметром 30—1125 мм; диапазон измерения 0—4000 об/мин. Тахометр обеспечивает безотказную работу 5000 ч без непосредственного обслуживания и контроля. В промежутках между периодами допускается обслуживание с использованием одиночного комплекта запасных инструментов и приспособлений без демонтажа, расцентровки и последующего регулирования основного оборудования.

Составные части тахометра: первичный преобразователь, промежуточный преобразователь, показывающий прибор, счетчик час­тоты вращения.

На рис. 30 приведена схема установки первичных преобразователей 2 по отношению к ротору 1 тахометра. Зазор а не должен превышать 0,3 мм.

Для каких целей применяют счетчики частоты вращения, как они устроены?

При комплексной автоматизации судов возрастает значение учета и регистрации числа часов работы судовых систем и механизмов. Современный метод такого учета основан на использовании электронно-механических счетчиков.

Из числа отечественных, наиболее совершенным является счетчик СВН-2К (рис. 31). Основной узел его—электронно-механический спусковой регулятор с механической колебательной системой. Она взаимодействует с электронной системой, поддерживающей автоколебания осциллятора. Структурно-функциональная схема счетчика состоит из следующих основных элементов: блока питания ВР, генератора импульсов ГИ, преобразователей напряжения П1 (напряжением 380 В) и П2 (27 В), задающего генератора Г, формирователя импульсов К., триггера Т, выходного каскада В, преобразователя (шагового двигателя Л1), редуктора Р, механизма отсчета МО, осциллятора Z.

Счетчик из взаимозаменяемых узлов скомпонован в одном корпусе. В блоке ВР находятся преобразователи напряжения источника питания в напряжение постоянного тока 12 В. В механизм счетчика МС входят генератор импульсов ГИ, стабилизатор питания С, задающий генератор, формирователь импульсов, делитель частоты, выходной каскад. Составные части генератора ГИ размещены на трех печатных платах. Задающий генератор, выполненный на транзисторах, обеспечивает стабильные по длительности импульсы. С симметричного триггера Т на выходной каскад В поступают импульсы длительностью 0,04 с периодом колебаний 0,4 с.

Шаговый двигатель М преобразует элементарный сигнал разнополярных импульсов от выходного каскада электронного реле во вращательное движение вала ротора, являющегося приводом механизма счетчика МС. Механизм состоит из шести цифровых барабанчиков, так что диапазон измерения до 99999,9 с. Показатели считывают через смотровоестекло.

8. Датчики для измерения усилий и крутящего момента

Какие типы датчиков используются для измерения усилий, крутящего момента и мощности?

В судовых условиях часто возникает задача определения усилий, крутящего моментана валуи мощности. Для этой цели используются приборы, называемые торсиометрами. В качестве измерителей момента в них применяют фотоэлектрические, индуктивные и тензометрические датчики.

В чем заключается принцип действия фотоэлектрических датчиков?

Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на измерении интенсивности светового потока, идущего от источника (рис. 32) к фотоэлементу. Интенсивность пучка света, попадающего на приемник 3, зависит от угла скручивания вала и крутящего момента. Происходит это следующим образом: на валу / на расстоянии / насажаны два диска 2, отверстия 4 в которых совпадают, если вал не испытывает скручивания. В противном случае соосность отверстий нарушается, и поток света, идущий от лампы 5 к фотоэлементу 3, уменьшается. Вследствие чего изменяется сила тока на выходе фотоэлемента. Выходной сигнал с элемента 3 поступает в усилитель.

Что представляют собой тензодатчики?

Работа тензодатчика основана на свойстве металлической проволоки или фольги при растяжении или сжатии изменять свое электрическое сопротивление, он наклеивается на деталь машины и воспринимает ее деформацию. Отдельный тензодатчик измеряет растяжение только в одном направлении.

Для измерения четыре тензодатчика включаются по схеме моста таким образом, чтобы было сложение электрических сопротивлений.

Какие тензорезисторы находят применение в настоящее время?

Для увеличения чувствительности тензорезисторов выбирают материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности, большим удельным сопротивлением и малым поперечным сечением. Наиболее часто в тензорезисторах применяют константан. Он имеет незначительный температурный коэффициент сопротивления, что уменьшает погрешность, вызванную колебаниями температуры. В тензорезисторах, изготовленных из константана, в широком диапазоне сохраняется линейная зависимость между относительной деформацией и изменением сопротивления. Для работы при повышенных температурах рекомендуется изготовлять тензорезисторы из нихрома.

Тензорезисторы могут быть выполнены из проволоки и фольги. Конструктивно проволочный тензорезистор (рис. 33) представляет собой решетку из проволоки диаметром 0,01—0,05 мм, уложенную зигзагообразно на длине S2 и ширине si между двумя электроизоляционными подложками. К концам проволоки присоединены выводные концы. Электроизоляционные подложки выполняют из папиросной бумаги, лаковой пленки или цемента, скрепляемых между собой клеем, лаком или цементом. Зигзагообразную часть тензорезистора называют решеткой. Проволочные тензорезисторы выполняют сопротивлением 10—1WO Ом. Они имеют размеры 2—100 мм.

На чем основано действие датчиков крутящего момента и мощности?

Все способы измерения крутящего момента основаны на измерении вызываемой им упругой деформации. Угол скручивания у цилиндра зависит от крутящего момента М, модуля упругости G и полярного момента инерции 1р:

Треугольник деформации ABB' показан на рис. 34, где углы а, Р,у — элементы треугольника деформации; Д</—приращение стороны АВ длиной g. При длине измерения /= 12—25 мм угол скручивания у очень мал, поэтому надо учитывать, что функция sin 2 имеетмаксимумы при 45,

135, 225 и 315°. Если тензодатчики расположить на валу под этими углами к оси вала, то они будут испытывать максимально возможное растяжение, поэтому измерение будет наиболее эффективным.

Диаметр и материал вала, т. е. полярный момент инерции 1р и модуль упругости G, определяются требованиями классификационного общества. Следовательно, выбору подлежит только длина участка /, на котором выполняется измерение. Ошибки измерения определяются неточностями определения диаметра вала и длины измерительного участка, но, в первую очередь, неопределенностью значения модуля упругости. Если значения модуля упругости находятся в пределах от 8,1-Ю⁴ до 8,5-Ю⁴ МПа, то максимальная погрешность составляет ±2,5 % (при температуре 20° С).

Какие требования предъявляются к датчикам крутящего момента?

К датчикам предъявляют следующие требования: 1) область измерения должна соответствовать рабочему диапазону значений крутящего момента, 2) изменение частоты вращения не должно влиять на измерения, 3) должно быть исключено влияние дополнительных напряжений сжатия, изгиба и центробежных сил.

Как устанавливать тензодатчики на малой длине измерительного участка?

Тензодатчики соединяются в схему моста, точки питания и диагонали которого выведены через коллекторные кольца / с щетками (рис. 35). Расположение тензодатчиков 2 под углом 45° к оси вала практически компенсирует искажающее влияние изгиба, сжатия и температуры. Напряжение в диагонали моста 3 пропорционально крутящему моменту. Если одновременно измерять частоту вращения и ввести результаты обоих измерений в схему умножителя, то можно получить значения мощности на валу.

Как измерить крутящий момент на большой длине измерительного участка?

На концах участка вала длиной L устанавливают два тахогенератора переменного тока по возможности с одинаковыми зависимостями напряжения от частоты вращения. Передаточное отношение i и число пар полюсов р также должны быть одинаковыми. Получают два напряжения, пропорциональные частоте вращения.

Угол между фазами этих напряжений φ пропорционален углу скручивания γ, а следовательно, и крутящему моменту.

С помощью уравнительного резистора оба напряжения приводятся к одинаковому значению u1 = u 2. Тогда при последовательном соединении (рис. 36, а) получают дифференциальное напряжение

Ио=2u sin φ/2.

Для малых углов sin φ =φ, поэтому мо=мр (рис. 36, б). Дифференциальное напряжение и д выражает передаваемую мощность.

Для измерения крутящего момента применяют схему, в которой индуктивная нагрузка L и резистор Ra включены последовательно (рис. 37).

Считая, что Ra очень мало по сравнению с индуктивным сопротивлением Wi, получаем La= UoRa/w. Напряжение пропорционально передаваемой мощности, т. е. U=kMw, где k— коэффициент пропорциональности. Таким образом, напряжение Ua пропорционально крутящему моменту.

Как измерить крутящий момент при бесконтактном снятии сигналов?

Измерение крутящего момента при бесконтактном снятии сигналов с вала применяется в датчиках следующей конструкции. Две шестерни из ферромагнитного материала закрепляют на валу на расстоянии / друг от друга. В статорах находятся постоянные магниты с обмотками, полюсные башмаки которых имеют форму зубцов. Последовательно соединяя обмотки нескольких датчиков, установленных по периметру шестерен (см. рис. 30), получают суммирование напряжений, индуктируемых при вращении шестерен. Затем

суммарное напряжение преобразовывается в импульсы прямоугольной формы. Эти импульсы от обеих шестерен подаются в схему вычитания. В результате получаются прямоугольные импульсы, ширина которых пропорциональна фазовому углу, т. е. крутящему моменту. В схеме умножения вырабатывается напряжение, пропорциональное мощности.

Преимущество устройств с большой длиной измерительного участка заключается в том,чтовлияние модуля упругости учитывается на большом участке.

Что представляет собой магнитно-эластичные датчики?

Принцип измерения основан на зависимости коэффициента проницаемости Хи ферромагнитного материала от механического напряжения. В направлении действия силы коэффициент проницаемости материала уменьшается, в перпендикулярном направлении немного увеличивается. При изменении

направления силы на противоположное происходит обратное явление. На рис. 38, а показано сечение магнитно-эластичного датчика по одной из пластин железа /. Между отверстиями 2, через которые проходят витки обмоток, в направлении действия силы F образуется разгруженная зона.

Магнитный поток в этой области почти не изменяется. Элемент датчика, состоящий из железных пластин, имеет то преимущество, что обмотки пронизываются магнитным потоком по всей своей длине, и выходное напряжение не зависит от неравномерного распределения нагрузки. Первичная / и вторичная 2 (рис. 38, б) обмотки выполнены таким образом, что при отсутствии действующих сил противоположно направленные магнитные поля компенсируют друг друга и на выходе получается нуль. При наличии сил магнитные линии изменяют свою форму, так как в горизонтальной области между отверстиями уменьшается относительная магнитопроницаемость. При наиболее высоких нагрузках поток, пересекающий вторичную обмотку, достигает почти 20 % общего потока. Напряжение V во вторичной обмотке пропорционально действующей силе. У границы же диапазона измерений линейность этой зависимости нарушается. Напряжение достигает таких значений, что показывающие приборы могут не иметь усилителей.

Принципиальная схема включения датчика В приведена на рис. 38,6.

Как устроены индуктивные датчики крутящего момента?

В индуктивных датчиках изменение сопротивления катушек в зависимости от угла скручивания является выходным сигналом прибора.

На рис. 39 показана схема такого устройства. Вместе с валом / вращаются закрепленные на нем магнитопроводы 2, 5, 6. Индуктивные катушки 4 уложены в неподвижном сердечнике 3. Если вал не испытывает скручивания, то индуктивности l и La катушек, питающиеся переменным током, одинаковы. При передаче валом 1 крутящего момента зазоры между магнитопроводами 6 и 2 с одной стороны и магнитопроводами 6 и 5— с другой становятся неодинаковыми, вследствие чего появляется разность индуктивностей l —La, что и является выходным сигналом. 9. Датчики для измерения перемещений

Для чего применяют потенциометрические преобразователи?

Потенциометрические преобразователи служат для преобразования углового или линейного перемещений в электрический сигнал. Наиболее часто применяют проволочные Потенциометрические преобразователи с непрерывной намоткой. Преобразователь (рис. 40, а) имеет каркас /, выполненный из листового изоляционного материала. На каркас в один слой наматывается изолированный провод 5 из высокоомного материала. По очищенной от изоляции контактной дорожке обмотки перемещается движок 4, выполненный в виде упругой пластины или нескольких проволочек различной длины, сложенных вместе. Движок соединен щеткой 3 с токосъемным кольцом 2.

На рис. 40,6 показана схема простейшего преобразователя. Входной величиной преобразователя является линейное или угловое перемещение движка относительно начала обмотки потенциометра.

Как действуют индуктивные датчики перемещения?

Магнитный поток катушки проходит через железный сердечник /, сердечник 3 и воздушный зазор 6. При перемещении сердечника изменяется воздушный зазор.6, а следовательно, и самоиндукция L катушки 2 (рис. 41). Преимущество индуктивных датчиков — они не изнашиваются и имеют большую чувствительность. Основной недостаток — пропорциональная зависимость между изменением индуктивности

ΔL и перемещением Δδ сохраняется только в определенных небольших пределах. В большинстве случаев применяют два индуктивных датчика с одним общим якорем. Датчики включены в мостовую цепь таким образом, что при увеличении самоиндукции одного датчика самоиндукция другого уменьшается (рис.42, а). Для измерения больших перемещений применяют цилиндрические реверсивные индуктивные преобразователи (рис. 42, б). Магнитопровод преобразователя 2 изготовлен в виде цилиндрической трубки, которая вместе с двумя крышками 4 является ярмом. Якорь 3 имеет цилиндрическую форму. Диск / из ферромагнитного материала предназначен для увеличения магнитной проводимости. По обе стороны от диска установлены две цилиндрические катушки 5.

Как устроены трансформаторные преобразователи?

Цилиндрический дифференциально-трансформаторный преобразователь (рис. 43) имеет три обмотки — первичную Wn и две вторичные wi=W2=su, которые установлены на общем изоляционном каркасе /.

Первичная обмотка, состоящая из двух последовательно включенных обмоток, уложена по всей длине преобразователя. Вторичные обмотки расположены одна в верхней, а другая в нижней части преобразователя и соединены между собой последовательно встречно. Такое расположение обмоток обеспечивает более равномерное распределение электромагнитного поля. Преобразователь имеет якорь 2 и магнитопровод 3 из листовой электротехнической стали. Обе детали имеют цилиндрическую форму.

В нейтральном положении якоря магнитные потоки, пронизывающие вторичные обмотки, равны. При этом выходное напряжение равно нулю. Перемещение якоря приводит к изменению магнитных потоков и наведению во вторичных обмотках трансформаторных ЭДС, не равных друг другу, а следовательно, к появлению выходного напряжения. С изменением направления перемещения якоря меняется фаза выходного напряжения на 180°.

Как действуют дифференциальные трансформаторные датчики?

Подвижной железный сердечник (рис. 44, а, б) влияет на индуктивную связь между переменным напряжением U i, подаваемым на первичную обмотку, и напряжениями, индуктируемыми в двух последовательно соединенных вторичных обмотках. При этом вторичные обмотки соединены таким образом, что индуктируемые в них напряжения Uy и Us направлены в противоположные стороны. Когда сердечник или экран находится в нулевом положении (строго симметричном), то во вторичных обмотках напряжения Us и Us одинаковы по значению. При перемещении сердечника или экрана противоположно меняются амплитуды индуцируемых напряжений: одна амплитуда увеличивается, другая уменьшается. Выходное напряжение датчика (Us — Uз) пропорционально перемещению Δ l.

Дифференциальные трансформаторные датчики могут применяться также для измерения угла поворота.

Датчики и приборы для измерения уровня жидкости

В каких емкостях на судне необходимо контролировать уровень жидкости?

Объектами измерения (контроля, сигнализации) уровня являются цистерны, танки, баки с топливом, водой и маслом, находящиеся под атмосферным давлением, и емкости под давлением при значительных температурах.

Какие датчики и приборы применяют для контроля за уровнем жидкости?

Для контроля за уровнем применяют водоуказательные стекла, устроенные в виде колонок, действующих по принципу сообщающихся сосудов.

Сниженные указатели уровня действуют по принципу измерения гидростатического давления столбов воды в конденсационном сосуде или в барабане котла с помощью V-образной трубки (дифференциальный манометр), заполненной цветной жидкостью, плотность которой больше плотности воды. Такой указатель уровня может быть установлен на значительном расстоянии от котла, что позволяет обеспечить дистанционное наблюдение за уровнем.

Регуляторы различают по способу измерения уровня и усиления.

Для измерения уровня при меняют поплавковые, мембранные термогидравлические и другие преобразователи с электрическим выходным сигналом.

Какова область применения поплавковых датчиков уровня?

Поплавковый датчик уровня в условиях качки может давать ложные сигналы, поэтому его применение—системы сигнализации регуляторы прямого действия. Это связано с тем, что качество регуляторов уровня с чувствительными поплавковыми элементами (они бывают шарообразной или цилиндрической формы) невысоко из-за трения в сочленениях рычажной системы. Неточности в измерении уровня увеличиваются во время качки судна условиях вибрации.

На рис. 45, а показанасхема поплавкового датчика уровня. Выходным сигналом являются перемещение рычага 6 и усилие Q, развиваемое на конце рычага. Величины 6 и Q пропорциональны уровню в емкости.

Место выхода рычага из емкости обычно уплотняют с помощью сильфона.

Как действуют мембранные датчики уровня и каковы их особенности?

Для измерения уровня часто используют мембранные датчики (рис. 45, б). С помощью мембраны 5 измеряется высота столба жидкости в трубах 3 и 4. В трубе 3 высота столба воды постоянная. Она зависит от среза трубы в конденсационном сосуде /. В трубе 4 согласно принципу сообщающихся сосудов устанавливается уровень, одинаковый с уровнем в барабане котла. Таким образом, мембрана 5 находится под действием разности столбов, пропорциональной изменению уровня в барабане 2. Эти измерители уровня сконструированы так, что примерно 80 % усилия, развиваемого мембраной, уравновешивается грузом 6, а оставшиеся 20 % — пружиной. Кроме того, что груз уравновешивает значительную часть усилия, он компенсирует изменение столбов жидкости при качке.

Если вертикальная ось конденсационного сосуда / совмещена с осью симметрии емкости, это уменьшает влияние качки. С помощью конденсационного сосуда можно измерять уровень в емкостях, содержащих жидкость и ее пары (в коллекторах котлов, деаэраторах). Сосуд устанавливают выше измеряемого уровня и не изолируют. Если температура окружающей среды такова, что поступающие в конденсационный сосуд пары не конденсируются, сосуд следует охлаждать. Для этой цели его обвивают змеевиком, по которому пропускают воду.

Мембранный измеритель уровня имеет высокую чувствительность (примерно 9,8 Па). Однако при установке необходимо учитывать инерцию присоединенных движущихся масс жидкости и груза и жидкостное трение в импульсных трубках. Несмотря на это, мембранные измерители уровня получили наиболее широкое распространение на судах отечественной постройки.

Перед вводом в действие котла импульсную систему чувствительного элемента, включая его корпус, заполняют холодной водой через пробку в конденсационном сосуде, чтобы под воздействием котельного давления мембрана не была порвана. Все импульсные трубки, сообщающие конденсационный сосуд с барабаном котла и корпусом чувствительного элемента, должны прокладываться с постоянным уклоном не менее 1:10, чтобы исключить застой пузырьков воздуха в трубах.

В емкостях с низким давлением, например в конденсаторах, постоянный уровень можно получить при помощи трубки 7 (рис. 45, в), помещенной внутри емкости выше уровня жидкости. Через трубку непрерывно протекает вода из внешнего источника. Расход воды должен быть небольшим, чтобы свести к минимуму динамическую составляющую давления на мембрану чувствительного элемента, нагруженную давлением столба жидкости в трубке.

Воду к трубке можно подвести из напорного конденсатного трубопровода.

Как действуют мембранные датчики уровня с электрическим выходным сигналом?

Для измерения уровня на судах широко используются мембранные датчики, в которых линейное перемещение преобразуется в электрический сигнал. Рассмотрим пневмоэлектрический датчик уровня (рис. 46). Датчик имеет две мембранные коробки 2, состоящие из двух одинаковых мембран, соединенных по диаметру. Мембранные коробки сообщаются между собой с помощью капиллярной трубки 3. Под действием давления столба жидкости нижняя мембранная коробка сжимается, вследствие чего происходит выдавливание воздуха через капиллярную трубку в верхнюю мембранную коробку. Давление в этой коробке повышается, и она расширяется. Деформация мембранной коробки происходит до тех пор, пока давление воздуха не уравновесится силой упругости мембран.

К верхней мембранной коробке прикреплен якорь / дифференциального трансформаторного преобразователя. При деформации коробки якорь перемещается, поэтому выходное напряжение преобразователя будет определяться уровнем контролируемой жидкости.

Какие датчики уровня распространены на судах с автоматизированным управлением?

На суднах с автоматизированным управлением, особенно без постоянной вахты в машинном отделении, применяют автоматическое поддержание уровня во многих емкостях, например в расходных цистернах топлива. При этом обычно используют поплавковые реле. Большое распространение на судах иностранной постройки нашли поплавковые реле уровня фирм «Мобрей» и «Беста», а также типа CPM-2S.

Что представляет собой реле уровня фирм «Мобрей» и «Беста»?

Реле уровня «Мобрей» (рис. 47,а) состоит из следующих основных частей: /—поплавка, изготовленного из металла монель; 2 — магнита подвижного 4 и неподвижного 6 контактов. В корпусе 3 на керамическом основании 5 выполнен механизм переключения. Крышка 7 изготовлена из алюминиевого сплава.

Основным преимуществом данного реле является то, что поплавковая часть отделена от контактной. Эти части механически не связаны. Постоянные магниты в поплавковой и контактной частях находятся в кожухах из немагнитного материала. Магниты установлены так, что одинаковые полюсы находятся один против другого, и потому отталкиваются. В положении, показанном на рис. 47, а, поплавок находится внизу, правый конец магнита 2 поднят, левый конец магнита в контактной части опущен,

и верхние контакты замкнуты. Когда шток поплавка проходит среднюю линию, подвижной контакт размыкает один неподвижный контакт и замыкает другой.

На рис. 47, б приведены схема и размерные характеристики реле «Мобрей», а в табл. 5 их значения. Уровень регулирования можно установить, размещая ограничители. При техническом обслуживании реле уровня необходимо осматривать и очищать. Для этого отключают подачу тока и изолируют концы, снимают выключатель в резервуаре или камере, удаляют осадок, отложения, а с магнита поплавка — нагоревшие металлические частицы.

На рис. 48, а приведены раз­мерные характеристики реле уровня «Беста», аналогичного реле «Мобрей», в табл. 6—численныезначения характеристик. На рис. 48, б показаны внешние виды двух модификаций реле.

Какое назначение поплавкового реле типа CPM-2S?

Датчик поплавково-магнитный с удлиненным ходом типа CPM-2S (рис. 49) служит для сигнализации уровня жидкостей, в том числе топлива и масла, в открытых и напорных резервуарах, а также в паровых котлах во взрывобезопасной атмосфере (относится к окружающей среде резервуара).

Датчик поплавково-магнитный CPM-2S состоит из следующих основных узлов: поплавка, контактного триггера, корпуса. Поплавок в виде плотного сосуда круглого сечения соединен шарнирно при помощи рычага с кронштейном, в котором установлены плотно постоянные магниты. Этот узел крепится при помощи оси в той части корпуса, которая находится внутри резервуара. Штифты, установленные в кронштейне, позволяют четырех ступенчато изменять ход поплавка.

Рычаг является сменным элементом. Удлиняя рычаг, увеличивают ход поплавка, сокращая, — уменьшают. Наружная часть корпуса представляет собой камеру, отделенную тонкой стенкой от резервуарной части. В камере находится в изоляционной колодке узел контактного триггера.

Что представляет собой уровнемер АТМ?

Уровнемер АТМ предназначен для дистанционного замера уровня в судовых танках. Принцип действия — гидростатический. Прибор можно использовать для следующих жидкостей: морской и пресной воды, дизельного и тяжелого топлива, смазочного масла.

Система АТМ состоит из двух объединенных блоков. Индикаторный блок включает в себя измерительный элемент, мембрану с механической защитой от избыточного давления; регулировку нулевой точки на лицевой панели прибора; шкалу, указывающую уровень, объем или массу. Блок управления состоит из блочного регулятора постоянного расхода воздуха, винта регулировки количества воздуха, продувочного вентиля и штуцера питания, индикации и контроля.

Уровнемер АТМ может работать в диапазоне рабочих давлений0,1—3,0 МПа и при погрешности измерения ± 1 % максимального уровня.

Для работы уровнемера требуется рабочий воздух в количестве 0,5 л\мин при давлении 5,0 МПа

Как действует индуктивный поплавковый датчик уровня?