МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,
МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
3124 МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до виконання самостійної роботи з дисципліни
«Елементи і пристрої автоматики та систем управління»
для студентів напряму підготовки
6.050201«Системна інженерія»
усіх форм навчання
Суми
Сумський державний університет
2011
ЗМІСТ
С.
1 Електричні апарати……………………………….…….4
1.1 Загальні поняття про електричні релейно-
контактні апарати управління………………………….4
1.2 Комутаційні апарати……..…………….……………..5
1.3 Реле: загальне уявлення………………………………7
1.4 Пускорегулювальні електричні апарати…..………...8
Запитання для самоконтролю………………………..10
2 Загальне уявлення про електричні машини…………12
2.1 Вихідні визначення…………………………….……12
2.2 Трифазні асинхронні двигуни………………………12
2.3 Конденсаторний асинхронний двигун……………..15
2.4 Трифазні синхронні двигуни……………………….16
2.5 Двигуни постійного струму………………………...18
2.6 Унітарні колекторні двигуни……………………….21
Запитання для самоконтролю………………………..21
3 Основні пристрої вимірювальної техніки…………...23
3.1 Фізичні величини та вимірювання………………....23
3.2 Засоби вимірювальної техніки……………………...23
3.3 Значення переміщення у вимірювальній техніці…..26
3.4 Давачі тиску……………………………………….…27
3.5 Вимірювання витрат…………………………….…..32
3.6 Вимірювання рівня……………………………….….34
3.7 Вимірювання температури……………………….…38
3.8 Перетворювач переміщень у код…………………..40
3.9 Цифрові вимірювальні перетворювачі………….….44
Запитання для самоконтролю………………………..46
Список використаної літератури……………………….47
1 ЕЛЕКТРИЧНІ АПАРАТИ
1.1 ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ ПРО ЕЛЕКТРИЧНІ РЕЛЕЙНО-КОНТАКТНІ АПАРАТИ УПРАВЛІННЯ
Електричні апарати – це технічні засоби, призначені для керування електричним струмом і пов’язаними з ним величинами. А саме, функції електричних апаратів полягають у керуванні такими параметрами, як сила струму, напруга, потужність, частота, енергія, магнітний потік та ін.
З технічної точки зору електричні апарати виконують такі функції:
- комутація (вмикання і вимикання) ліній електропередачі, розподільних електричних мереж і електротехнічних пристроїв;
- автоматичне і неавтоматичне регулювання, стабілізація, зміна за заданим законом електричного струму й інших параметрів;
- захист електротехнічного обладнання від аварійних режимів, таких, як: коротке замикання, тривале перевантаження, підвищення або зниження напруги до недопустимого рівня, зміна частоти та ін.;
Електричні апарати умовно поділяють на такі основні види:
1) апарати високої напруги – для керування електричними мережами високої напруги (6, 10, 35, 110, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ); до роботи з такими апаратами допускається тільки спеціально підготовлений персонал;
2) апарати керування – керують режимами роботи і здійснюють автоматичний захист від аварійних режимів електротехнічного обладнання і розподільних мереж на номінальні напруги 127, 220, 380, 660, 1140 В;
3) електричні апарати автоматики – контролюють електричні і неелектричні параметри обладнання, що працює, за допомогою генерації і подачі сигналів у кола автоматики і керування;
4) підсилювачі і перетворювачі різних сигналів, дій, потоків та ін.
1.2 КОМУТАЦІЙНІ АПАРАТИ
Комутаційні апарати призначені для керування електричними колами і різними електротехнічними пристроями.
Кнопки керування з замикальними (а) і розмикальними (б) контактами, а також їх умовні позначення зображені на рис.1. Після відпускання кнопки пружина повертає її контакт у вихідний стан.
Рисунок 1– Кнопки керування: пристрій а і б та
умовне позначення на схемах
Автоматичний повітряний вимикач (автомат) використовують для нечастого вмикання і вимикання електричного кола. Він має пристрій, який виконує функцію захисту кола, що комутується. Таким пристроєм є розчіплювач – елемент, який контролює заданий параметр кола і впливає на контактну систему автомата. Розчіплювач являє собою механізм з рухомою системою, що працює під тепловою або магнітною дією струму.
Розчіплювач максимального струму використовується для захисту електричного кола від надзвичайно великих значень струмів навантаження та струмів короткого замикання. Тепловий розчіплювач використовується для захисту від струмів перевантаження. Чутливим елементом розчіплювача є біметалева пластина. Коефіцієнт температурного розширення в однієї пластини дуже великий, а в іншої – дуже маленький. У коло струму, яке захищається, увімкнуто нагрівальний елемент, який обвитий навколо біметалевої пластини. При певному співвідношенні значення струму навантаження і тривалості його проходження температура підвищується і біметалева пластина деформується. Вона прогинається і вивільняє важіль, який повертається під дією сили пружини і розмикає силовий електричний контакт, знеструмлю-ючи електричне коло. Після охолодження біметалевої пластини можна знову вимкнути автомат.
Автоматичні повітряні вимикачі бувають одно- (а), дво- (б) та триполюсними (в) – за кількістю силових електричних контактів. На принципових електричних схемах вони зображаються, як наведено на рис. 2.
а б в
Рисунок 2 –Зображення автоматичних вимикачів
1.3 РЕЛЕ: ЗАГАЛЬНЕ УЯВЛЕННЯ
Під реле розуміють слабострумові електричні апарати, в яких при плавній зміні керуючого (вхідного) параметра до визначеного, наперед заданого значення, відбувається стрибкоподібна зміна керованого (вихідного) параметра, причому хоча б один із цих пара-метрів повинен бути електричним.
У цьому відношенні реле мають типову релейну характеристику – залежність між вихідною Y і вхідною Х величинами, яка наведена на рис.3. Стрілками показана послідовність переміщення по характеристиці при збільшенні вхідного сигналу від нуля до деякого значення Х, з послідовним зменшенням знову до нуля.
Y
Рисунок 3 –Типова релейна характеристика
Позначені точки ХСП і ХПО – значення спрацьовування (наприклад, притягується якір, замика-ються контакти) і повернення у вихідний стан. Реле
характеризують коефіцієнтом повернення k= ХПО / ХСП (може бути в межах 0 – 0,95).
За сферою застосування реле можна поділити на реле для схем автоматики, реле для керування електроприводами і їх захисту, а також реле для захисту енергосистем.
За фізичною величиною, на яку реагує реле, виріз-няють їх типи і відповідно види захисту: а) струмова; б) напруги; в) теплова; г) від замикань на землю; д) спе- цільного призначення та інші.
1.4 ПУСКОРЕГУЛЮВАЛЬНІ ЕЛЕКТРИЧНІ АПАРАТИ
Пускорегулювальні електричні апарати викорис- товуються для вмикання/вимикання електродвигу-нового пристрою та керування процесом його роботи.
Контактори – двопозиційні електричні апарати дистанційної дії, призначені для частого вмикання та вимикання силових електричних кіл під навантаженням. Сучасні конструкції контакторів витримують за термін служби більш ніж п’ять мільйонів вмикань та вимикань. Контактори бувають постійного та змінного струмів.
Перша головна складова частина цих контакторів – контакти складаються із головних контактів (нерухомий та рухомий замикальний контакти) і допоміжних контактів (два замикальних і два розмикальних) місткового типу.
Друга головна частина контакторів – пристрій дуго гасіння, складається з дугогасильної камери і двох котушок електромагнітного дуття.
Третя головна складова контакторів – електро- магнітний привід з котушкою, якорем та ярмом. Як головні, так і допоміжні контакти приводяться в рух від якоря за допомогою важеля.
На електричних схемах контактори зображують умовними графічними позначеннями їх головних складових частин, як показано на рис.4.
Рисунок 4 – Графічне позначення контактора
Магнітні пускачі – це комбіновані електричні апарати, які взагалі можуть виконувати всі або кілька з таких функцій:
-
дистанційне керування роботою асинхронних двигунів (вмикання, вимикання, реверс); -
автоматичне відключення при зниженні напруги мережі живлення нижче допустимого значення; -
захист від перевантажень.
У загальному випадку до складу магнітного пус-
кача входять: контактори змінного струму (один для нереверсивного або два для реверсивного), теплові реле та кнопкова станція.
У електроприводах робочих машин використо-вують магнітні пускачі на номінальні напруги 127, 220, 380 та 500 В і струми від 3,2 до 200 А.
Захист від перевантажень у магнітних пускачах здійснюється за допомогою вбудованих у корпус теплових реле. Конструкція теплових реле дозволяє регулювати величину струму вставки реле в діапазоні від 0,75 до 1,25 ІН.
На електричних схемах магнітні пускачі зобра- жують графічними умовними позначеннями їх головних складових частин, як показано на рис.5.
Магнітні пускачі вибираються за такими основними параметрами: номінальна напруга котушки контактора, номінальний струм для контактів, номіналь-
Рисунок 5 – Графічне позначення магнітного
пускача з електротепловим реле
ний струм нагрівального елемента теплового реле, схема керування.
Запитання для самоконтролю
1 Що називають електричними апаратами? Які функції вони виконують?
2 Які види електричних апаратів Ви знаєте?
3 Наведіть можливу загальну структуру електричного апарата.
4 Наведіть побудову силового електромагнітного механізму електричних апаратів та поясніть принцип його дії.
5 Яким чином в електричних апаратах сприяють згасанню електричної дуги і як зменшують її шкідливу дію?
6.Наведіть приклади комутаційних апаратів з ручним приводом та поясніть принцип їх роботи.
7 Які типи розчіплювачів Ви знаєте і які функції вони виконують?
8 Який електричний апарат може захистити людину від небезпечного ураження струмом?
9 За яким принципом працюють термобіметалеві запобіжники?
10 Яку роль відіграють запобіжники в електричних колах?
11 Наведіть приклади плавків запобіжників, поясніть принцип їх дії.
12 Що таке реле і які приклади їх конструкції Ви знаєте?
13 За яким принципом працюють термобіметалеві запобіжники?
14 Які види пускорегулювальних електричних апаратів Ви Знаєте?
15 Що називають контактором і як він працює?
16 Що таке магнітні пускачі та які функції вони можуть виконувати?
17 Які елементи входять у загальному випадку до складу магнітного пускача?
18 Як зображують магнітні пускачі на електричних схемах?
19 Як зображують на принципових електричних схемах одно-, дво- та триполюсні автоматичні повітряні вимикачі?
20 Яку роль відіграють запобіжники в електричних колах?
2 ЗАГАЛЬНЕ УЯВЛЕННЯ ПРО
ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ
2.1 ВИХІДНІ ВИЗНАЧЕННЯ
Електричними машинами називають пристрої, принцип дії яких ґрунтується на поєднанні електромагнітних процесів і механічного руху.
У генераторах механічна енергія перетворюється на електричну енергію, що віддається в електроенергетичну систему або певному споживачеві.
В електродвигунах електрична енергія, що надходить з електромережі, перетворюється на механічну енергію, яка віддається будь-якому механізмові або пристрою, що приводиться в рух (металообробний станок, підйомний кран, транспортний засіб, насос, вентилятор, компресор та ін.).
Залежно від роду струму (постійний або змінний), який споживається з живильної мережі, електродвигуни поділяють на двигуни постійного струму і двигуни змінного струму. Другі є поширенішими, як і взагалі електроенергетичні системи змінного струму.
Машини змінного струму можуть бути однофазними або багатофазними залежно від використання системи змінного струму. При виробництві електроенергії виняткова роль належить трифазним генераторам, у промисловому електроприводі основними є трифазні електродвигуни.
2.2 ТРИФАЗНІ АСИНХРОННІ ДВИГУНИ (ТАД)
ТАД призначені для: перетворювання електричної енергії у механічну енергію обертального руху – є найбільш поширеними у електричних приводах, різноманітних приладах та агрегатах.
Будова ТАД: нерухомий статор має 3, 6, 9, … обмотки, симетрично розташовані по колу статора, тобто число обмоток кратне трьом. Усередині двигуна (на підшипниках) знаходиться ротор – обертальний циліндр. Обмотки ротора є провідниками – алюмінієва заливка, які знаходяться на поверхні шихтованого ротора. Кінці цих провідників короткозамкнені. З ротором, частіше з одного боку, рідше з обох, з’єднаний вихідний вал, що обертається.
Принцип дії полягає в тому, що три і більше фази статора створюють обертальне магнітне поле з кутовою швидкістю n0=(60*f)/p,
де p – число пар полюсів поля статора; n0 – синхронна частота.
При трифазній обмотці маємо один загальний вектор і два полюси N та S, при цьому p=1 і відповідно n0=3000 об/хв.
Якщо на роторі розташовано шість обмоток, то за один період змінного струму вектор магнітного поля повернеться на 180о, буде два вектори з р=2. Тоді
n0=(60*f)/2=1500 об/хв.
Магнітне поле статора створює у провідниках ротора струм На ці провідники діє сила та з’являється обертальний момент – електромагнітний обертальний момент. Двигун створює обертальний момент
М=МЄМ-ΔМ, де ΔМ – втрати на тертя і т.д.
У результаті ротор починає обертатися з деякою меншою частотою ніж, n0. Встановлене значення n двигуна залежить від різності моментів: М-Мon.
Мon – момент опору, тобто протидії агрегату.
Відставання ротора від n0 називається ковзанням S=(n0-nдв)/n0. У нормальному режимі SHOM=0,02–0,08 (2–8%).
Механічна характеристика – залежність обертів від моменту опору, тобто навантаження має такий вигляд.
Рисунок 6 – Механічна характеристика ТАД
Ця дуже нелінійна характеристика має такі особливості: пусковий момент (ПМ), найбільш критичний момент (КМ), тобто ПМ<КМ.
У ідеальному холостому ході частота обертання двигуна збігалась би з синхронною частотою n0. При навантаженні двигуна він переходить в номінальний режим, а при подальшому зростанні навантаження настає критичний стан – асинхронний двигун перекидається до зупинки.
Ділянка характеристики від n0 до nHOM і трохи далі являє собою пряму лінію, є жорсткою характеристикою – wt дуже велика перевага асинхронного двигуна. Це особливо проявляється при частотному регулюванні двигуна.
Формула характеристики асинхронного двигуна виражається формулою Клоузе:
M=2Mmax/[(Skp/S)+(S/Skp)].
Найпростішій пуск асинхронного двигуна – прямий пуск – відбувається за схемою.
Рисунок 7 – Електрична схема прямого пуску ТАД:
QF – ввідний автоматичний вимикач; SF – автомат кіл керування; SB1 – кнопка «стоп»; SB2 – кнопка «пуск»;
KM1 – магнітний пускач; HL1 – сигнальна лампочка;
М – трифазовий асинхронний двигун
2.3 КОНДЕНСАТОРНИЙ АСИНХРОННИЙ ДВИГУН
Цей двигун вмикається в одну фазу.
Ці дві обмотки (РО - робоча; ПО – пускова) розміщені під кутом 90о один до одного. Якщо на них подати синусоїдальну напругу живлення зі зсувом у 90о електричних, то у такому статорі виникає обертання магнітного поля. Далі принцип дії аналогічний до ТАД.
Рисунок 8 – Електрична схема конденсаторного однофазного асинхронного двигуна
2.4 ТРИФАЗНІ СИНХРОННІ ДВИГУНИ
Статорна обмотка є такою ж як, у трифазного асинхронного двигуна і створює обертальне магнітне поле. Ротор являє собою постійний магніт, або сталий магніт (малопотужний двигун), або електромагніт з живленням від постійної напруги.
Тут взаємодіють два магнітних поля, обертальне поле статора захоплює за собою ротор з його постійним магнітним полем. Магнітні поля притягуються протилежними полюсами з магнітним полем статора. При цьому частота обертання точно дорівнює n=(60*f)/p=n0.
Рисунок 9 – Електрична схема трифазного
синхронного двигуна
Рисунок 10 - Механічна характеристика трифазного синхронного двигуна
2.5 ДВИГУНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
Нерухома частина двигунів постійного струму – статор – є постійним магнітом, який створюється обмотками збудження. Рухома частина, яка обертається, – якір, має обмотку, на яку подається постійна напруга живлення від окремого джерела.
Обмотка якоря складна, її зв’язок із зовнішньою мережею живлення здійснюється через ковзни контакти між щітками і поверхнею колекторних пластин. Колекторні пластини виготовляються з міді з полірованою поверхнею, до цих пластин приєднуються особливим чином обмотки якоря. Провідники обмотки якоря розміщені у феромагнітному осерді якоря. Електричні графітні щітки виготовлені у вигляді пресованих брикетів з мідно - графітного порошку. Через них здійснюється подача зовнішнього джерела електричної енергії постійного струму.
Щітково – колекторний пристрій (щітки нерухомі, закріплені на статорі) подає напругу на ті частини обмоток якоря, які знаходяться у даному положенні якоря під полюсами магнітного поля статора. У результаті в цих провідниках виникає пара сил F максимально можливої величини і відповідно максимально обертальний момент – якір обертається. Разом з ним обертається колектор, постійно комутуючий провідники під полюсами. Тобто двигун постійного струму – «рамка» зі струмом у постійному магнітному полі. Як правило, усі обмотки виготовлені з міді через малий активний опір та мінімум втрат.
Обертання якоря з обмотками у магнітному полі статора має і генераторний ефект – створює ЕРС якоря, яка спрямована проти напруги живлення якоря.
У простому вигляді схема двигуна постійного струму така.
Рисунок 11 – Схема двигуна постійного струму
Схематично двигун постійного струму на електричних схемах визначається так.
Рисунок 12 – Електрична схема двигуна постійного струму
Основні рівняння двигуна постійного струму такі:
UЯ=ІЯ*RЯ+LЯ*dІЯ/dl+e;
e=c*wЯ;
c – машинний коефіцієнт.
Обертальний електромагнітний момент якоря
МЕМ=с*Ф*ІЯ.
Струм ІЯ створює власне магнітне поле, яке створює поле збудження. Для її нейтралізації у двигуні постійного струму є обмотки компенсації, які підєднані послідовно до кола якоря.
Класифікація двигуна постійного струму за способами збудження буває трьох типів:
Рисунок 13 – Схеми збудження двигунів
Їх механічні характеристики наступні:
Рисунок 14 – Механічні характеристики двигунів
Необхідно виділити першу характеристику незалежного збудження та жорстку ділянку при послідовному збудженні як особливо гарну.
2.6 УНІТАРНІ КОЛЕКТОРНІ ДВИГУНИ
Це двигуни постійного струму послідовного збудження. Вони можуть вмикатися, як у коло постійної напруги, так і в коло змінної напруги. При цьому одночасно змінюються напрями струмів обмотки збудження і якоря, тому знак обертального моменту та напрямок залишаються незмінними.
Рисунок 15 – Електрична схема унітарного
колекторного двигуна
Вони широко використовуються у побутовому електричному інструменті – вони дають можливість створювати високі оберти – до 6.000 обертів за хвилину, також мають жорстку ділянку.
Запитання для самоконтролю
1 Зобразіть конструкцію ТАД і поясніть призначення його елементів.
2 Як створюється обертове магнітне поле в ТАД?
3 У чому полягає принцип дії ТАД?
4 Що називають ковзанням асинхронної машини, і які його значення притаманні різним режимам цієї машини?
5 Яким чином створюється електромагнітний момент у ТАД і від яких параметрів він залежить?
6 Які втрати потужності виникають в асинхронному двигуні під час його роботи?
7 Зобразіть природну механічну характери-тику асинхронного двигуна і зазначте на ній точки, які відповідають неробочому ходу, пуску, номінальному режиму та максимальному навантаженню.
8 Визначте на механічній характеристиці ТАД ділянки, які відповідають стійкій та нестійкій роботі двигуна, а також ділянку допустимих навантажень.
9 Зобразіть побудову синхронної машини і поясніть призначення її елементів.
10 Поясніть принцип дії трифазного синхронного двигуна.
11 Які втрати потужності виникають в синхронних машинах?
12 Зобразіть механічну характеристику трифазного синхронного двигуна та порівняйте її з аналогічними характеристиками двигунів постійного струму та трифазних асинхронних двигунів.
13 Як побудована машина постійного струму? Поясніть призначення основних її елементів.
14 Як створюється електромагнітний момент машини постійного струму і за якою формулою визнається цей момент?
15 Які способи збудження застосовують у машинах постійного струму?
16 Зобразіть механічні характеристики у залежності від способів збудження двигунів постійного струму.
3 ОСНОВНІ ПРИСТРОЇ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ
3.1 ФІЗИЧНІ ВЕЛИЧИНИ ТА ВИМІРЮВАННЯ
Фізична величина, чи величина, – це кожна озна-чена якісно властивість фізичних об’єктів. Фізичні вели- чини існують в часі і просторі. Тому їх розміри і на- прямки є функціями часу та координат простору.
Вимірювальною інформацією називають інфор- мацію про значення вимірюваних фізичних величин. Матеріальними носіями вимірювальної інформації завжди є сигнали. Один із параметрів вимірювального сигналу, який містить вимірювальну інформацію, нази- вають інформативним параметром.
Для отримання вимірювальної інформації вимі- рювальні сигнали піддають відповідним перетво-ренням. Переносниками інформації можуть бути і пасивні величини, розміри яких модулюються активними величинами. Модуляція та кодування органічно пов’язані між собою і покладені в основу всіх перетворень вимірювальних сигналів вимірювальної ін- формації, яка в них міститься. Відображення інформації умовними знаками (символами), зокрема цифровими, називається цифровим кодуванням. Відповідно до цього розрізняють аналогові та цифрові вимірювальні сигнали та аналогову і цифрову форми вимірювальної інфор-мації. Аналоговий сигнал може бути неперервним або дискретним, а цифрові сигнали – завжди дискретні. Аналоговий сигнал стає цифровим після цифрового кодування.
3.2 ЗАСОБИ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ
Засобом вимірювальної техніки називають тех- нічний засіб, який застосовується під час вимірювань і має нормовані метрологічні характеристики. Засобами вимірювань є вимірювальні прилади, реєструвальні прилади, вимірювальні канали, вимірювальні установки, вимірювальні системи, кодові засоби вимірювань.
Цифрові засоби вимірювальної техніки виникли внаслідок потреби практики в суттєвому підвищенні точності, швидкодії та чутливості. У свою чергу, їх висока швидкодія та точність привели до нагромадження великих масивів даних про результати вимірювань, що стимулювало здійснення повної автоматизації складних процедур прямих, опосередкованих, сукупних і сумісних вимірювань на основі засобів обчислювальної техніки.
Сьогодні цифрові засоби охоплюють практично всі вимірювані в промисловості та наукових досліджен- нях фізичні величини. З метою уніфікації елементної бази та забезпечення зручності в користуванні фізичним носієм вимірювальної інформації у них вибрані електричні сигнали, найчастіше напруга постійного струму, які мають ряд незаперечних переваг порівняно з рештою сигналів, а саме: універсальність, дистанційність, наявність добре розроблених методів та засобів опрацювання, можливість реєстрації швидкоплинних процесів, простота узгодження із засобами цифрової обчислювальної техніки (комп’ютерами).
Структурною схемою вимірювального кола засо-бу вимірювань називається схема, що відображає його основні функціональні частини (структурні елементи), їх призначення та взаємозв’язки. Ступінь диференціації структурної схеми на структурні елементи, що зображу- ються переважно прямокутниками, визначається приз- наченням схеми. Краще за все вивчення та аналіз дії за- собу вимірювань слід проводити за структурними схемами. Структурні елементи вимірювального кола мо- жуть бути з’єднані послідовно, паралельно, зустрічно – паралельно, змішано.
Найбільш поширене пряме перетворення, харак- терне тим, що передача вимірювальної інформації здійснюється тільки в одному напрямку – від входу до виходу без зворотного зв’язку між ними. При цьому по- трібно виділяти первинний та вторинний перетворювачі на структурній схемі, яка зображена на рис.6, де:
1 – пристрій первинного перетворення вимірювальної величини Z в проміжний параметр Y; 2 – пристрій про- міжного (внутрішнього) перетворення параметра Y в переміщення Х; 3 – чутливий елемент, який перетворює переміщення Х в первинний електричний сигнал Uпер;
4 – функціональний перетворювач; 5 – вихідний прис- трій, який остаточно формує уніфікований вимірюваль-ний сигнал Uу.
Склад первинного перетворювача може бути різним залежно від методу вимірювальних перетворю-вань. Функціями вторинного перетворювача є: випрям- лення, лінеаризація, гальванічне розв’язування і таке інше та формування вихідного уніфікованого вимірю- вального сигналу необхідної потужності.
3.3 ЗНАЧЕННЯ ПЕРЕМІЩЕННЯ У
ВИМІРЮВАЛЬНІЙ ТЕХНІЦІ
Багато різноманітних фізичних величин достат-ньо легко перетворюються в лінійне чи кутове перемі- щени. Ці перетворення здійснюються механічними пружними пристроями чи вузлами. Вхідними величи-нами цих перетворювачів можуть бути такі механічні зусилля, як сила, тиск, перепад тисків, крутний момент, а за допомогою додаткових пристроїв – також витрата, температура і таке інше. Як чутливі елементи для перетворення переміщення в первинний електричний сигнал використовуються реостатні, ємнісні, а найчастіше – диференціальні індуктивні перетворювачі. Вони значно покращують лінійність перетворювання з одночасним збільшенням чутливості. Найпоширені-шими є мостові схеми, наведені на рис.7.
Рисунок 17 - Мостова схема індуктивного
перетворювача
Диференціальний індуктивний перетворювач має два ідентичні перетворювальні елементи 2 і 3, конструк- тивно об’єднані таким чином, що при переміщенні рухомого осердя 3 повітряний проміжок між осердям і полюсами одного з перетворювальних елементів збіль- шується, а між осердям і полюсами іншого перетворю- вального елемента настільки ж зменшується. Диференціальне увімкнення елементів такого перетво- рювача дає можливість значно розширити лінійну ділянку функції перетворення, збільшивши чутливість. На цій схемі два плеча моста становлять повні опори секцій диференціального перетворювача Z1 та Z2, а два інші плеча моста – активні опори R1 i R2 (R1=R2=R). Такі мости, як правило, спроектовані так, що за відсутності вхідної дії (значення вимірювального переміщення дорівнює нулю) якір диференціального перетворювача розміщений у середньому положенні, а вихідна напруга моста Uпер=0, при цьому Z1= Z2= Z0. Під час перемі-щення якоря в результаті появи вхідної дії опори секцій дорівнюватимуть відповідно Z1= Z1+ Z та Z2= Z2- Z . Ці зміни опорів секцій диференціального перетво-рювача, як правило, невеликі, і можна вважати, що напруга у вимірювальній діагоналі моста змінюється пропорційно Z /Z.
Відносна зміна повітряного проміжку диферен- ціальних перетворювачів, у межах якої нелінійність функції перетворення не перевищує 1%, досягає 0,3-0,4. Тому на практиці застосовують, як правило, диференціальні перетворювачі.
3.4 ДАВАЧІ ТИСКУ
Тиск – це відношення сили F до площі S( p=F/S).
Основним приладом для вимірювання тиску є манометр. Будова манометра така.
Рисунок 18 – Схема будови манометра:
1 – кріплення; 2 – трубчаста пружина Бурдона; 3 – тяга;
4 – зубчастий сектор; 5 – зубчасте колесо; 6 – шкала зі стрілкою
При вимірюванні тиску газу чи рідини вони заповнюють внутрішній проріз трубки, та з однаковим тиском діють на її внутрішню поверхню. Внаслідок того що зовнішня поверхня має значну площу, в неї більша і сила. Тому при підвищенні тиску, вільний кінець трубки 2 деформується вправо, тобто трубка розгинається, і навпаки.
Манометр – прилад контролю, він показує тиск у трубопроводах, технічних ємностях і т.п.
Для побудови давача манометр слід оснастити низкою перетворень.
Рисунок 19 – Схема давача тиску на основі манометра:
М – манометр; х переміщення; Uпер – первинний електричний сигнал; У1, У2 – підсилювачі; ПП – показ- никовий прилад; АЦП – аналогово-цифровий перетворювач; КОМ – керуюча обчислювальна машина; ДШ – дешифратор
Інший вигляд давача можливий в такому зображенні:
Рисунок 19 – Схема давача тиску на основі манометра:
Тр-р розв – трансформатор розв’язання; Uвих – вихідна напруга
Диференціальний манометр (ДМ)
Диференціальний манометр вимірює різницю двох тисків і відповідно має дві камери. 
Рисунок 20 – Схема диференціального манометра:
Р1 , Р2 – вхідні тиски; 1 корпус ДМ; 2 – плоска мембранна пружина; 3 – шток; С 12 , С 23 – ємності
Якщо один вхід ДМ з’єднати з атмосферою, то він буде реагувати на надмірний тиск відносно атмосферного. Якщо вимірюється невеликий тиск відносно атмосферного, то такий прилад називається – напоромір. Якщо вимірюється розрідження у зоні горіння чи внизу димової трубки – тягомір.
На практиці ці два прилади з’єднуються в один – тягонапоромір – вимірює невеликі відхилення відносно атмосфери. Одиницею вимірювання такого приладу є міліметр водного стовпчика.
Давачі тиску «САФІР»
Типовий устрій цих давачів наведений на рис.21. Вимірювальний тиск діє на роздільну мембрану, яка герметично запаяна. Спеціальна рідина 3 (поліефірові рідини) діє на стінки вимірювального корпуса, виникає деформація корпусу камери, по боках яких установлені резистивні тензодавачі – 2. Увесь прилад закріплюється на основі 1.
Рисунок 21 – Схема давача тиску типу «Сафір»
Тензодавач – дуже чутливі активні резистори, які змінюють свій опір під дією малих деформацій. Ця зміна опору перетворюється у первинний електричний сигнал в електричному модулі ЕМ.
Електричний модуль ЕМ – мікропроцесорний пристрій, він виконує інші перетворення і формує вихідний уніфікований електричний сигнал.
3.5 ВИМІРЮВАННЯ ВИТРАТ
Витрата – кількість, або обсяг речовини (газу та рідини, яка проходить через поперечний проріз труби за одиницю часу). Витрата пропорційна швидкості потоку.
Об’ємні витрати: л/с, м3/год, м/хв.
Масова, чи часова: гр/с, кг/ха, Т/год.
Якщо підсумувати (проінтегрувати), то одержимо загальну кількість речовин – це функція лічильників.
Вимірювання традиційними засобами:
-
Використання звужувальних пристроїв:
-
Діафрагма
Рисунок 22 – Схема будови звужувального пристрою
Діафрагма створює перепад тисків, тобто витрата – швидкість перетворюється в перепад тисків. При V=0, p1=p2 .
Перепад тисків надходить по вимірювальних імпульсних трубках до диференціального манометра ДМ.
Рисунок 23 – Схема перепаду тисків
Рисунок 24 – Схема підключення дифманометра
до звужувального пристрою:
1, 2 – запірні крани; 3 – зрівнюючий кран.
Диференціальний манометр перетворює перепад тисків у переміщення Х.
Витратомір постійного перепаду тиску –поршневий пристрій, який встановлюється на горизонтальному відрізку труби.
Рисунок 25 – Схема будови витратоміра постійного
перепаду тиску:
1 – поршень; 2 – обхідний канал, h – положення (переміщення) поршня
Оскільки p2
3.6 ВИМІРЮВАННЯ РІВНЯ
Рівень рідини та твердого сипкого тіла вимірюється на основі різних фізичних явищ.
Вимірювання рівня води у відкритому водоймищі.
Рисунок 26 – Схема вимірювання рівня води
Через дросель надходить дуже мало повітря. Тиск повітря у трубці після дроселя залежить від рівня води h. Трубка занурюється на достатню глибину – нижче мінімального рівня. До трубки під’єднаний манометр М, шкала якого градуйована у метрах.
Вимірювання рівня за тиском внизу.
Рисунок 27 – Схема вимірювання рівня за тиском
– Поплавок вільно тримається на поверхні рідини.
Переміщення поплавка однозначно пов’язане с переміщенням рівня.
Рисунок 28 – Схема вимірювання рівня поплавком
– Вимірювання рідини при надмірному тиску.
Цій спосіб працює за законом Архімеда – при зміні рівня буйок трохи переміщується до встановлення стану рівноваги.
Переміщення Х важеля 3 за допомогою пружини 5 передається ззовні і далі перетворюється на переміщення Х.
Рисунок 29 – Схема вимірювання рівня буйком:
1-буйок – видовжене циліндричне, металеве тіло; 2 - заспокійливий кожух; 3 – важіль; 4 – зрівноважу-вальний вантаж; 5 – герметична пружина
– Дискретне вимірювання рівня.
З одного боку ємності встановлюють фотодіоди, а з іншого – світлочутливі приймачі.
Рисунок 30 – Схема дискретного вимірювання рівня
– Вимірювання рівня по тиску на опори.
Одна чи всі опори технічної ємності виконуються, як здавачі сили.
Рисунок 31 – Схема вимірювання рівня за тиском на опору
3.7 ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ
Вимірювання температури термопарою
Термопара складається з двох провідників, які спаяні з одного боку – це називається гарячим спаєм, інші вільні кінці називають холодним спаєм. Залежно від різниці температур цих спаїв на вільних кінцях отримаємо терморушійну силу порядку декількох десятків мілівольт. Якщо до вільних кінців термопари підключити мілівольтметр з градуюванням шкали у С, то можна отримати показниковий прилад для контролю температури.
Для побудови давача температури термопару слід оснастити низкою перетворювальних елементів.
Рисунок 32 – Схема вимірювання температури термопарою: ПП – первинний перетворювач, П1, П2 – підсилювачі, КП – корегувальний пристрій
Вимірювання температури термоопором
Принцип дії термоопорів ґрунтується на зміні значення опору провідника від температури. Вони мають високі точність і часову стабільність.
Для вимірювання температури за допомогою термоопору використовують здебільшого зрівноважені мостові кола.
Рисунок 33 – Схема автоматичного моста для
вимірювання температури
Термоопір вмикається в плече моста, яке прилягає до реохорда. При такому ввімкненні рівновага для початкового і деякого проміжного значення вимірюваної температури буде без урахування опорів ліній за відсутності шунтувального опору Rш, який застосовують для розширення границь вимірювань.
Для зменшення впливу опорів ліній в схемі використовується трипровідне ввімкнення термоопору, опір окремих з’єднувальних проводів вмикається відповідно у сусідні плечі моста і діагональ живлення. При такому ввімкненні вплив опорів ліній і їх зміни будуть повністю вилучені.
3.8 ПЕРЕТВОРЮВАЧ ПЕРЕМІЩЕНЬ У КОД
Перетворювач переміщень у код (ППК) – це цифровий метод вимірювання переміщень. Весь діапазон переміщення xmax-xmin розбивається на дуже малі інтервали hx. Для цього використовується кодова маска, тобто непрозора металева пластина з прорізами. Вони розміщуються, створюючи розрядні цикли. По обидва боки від кодової маски розміщені фото– випромінювачі та світлоприймачі.
Проходження світла – проміння через проріз означає логічну одиницю. Відсутність у прорізі світла – логічний нуль. Природно було б використання кодової маски у вигляді двійкового натурального числа та одразу отримання уніфікованого сигналу у вигляді двійкового числа. Але двійкові числа мають таку особливість, що в них часто змінюються одразу багато цифр за розрядами.
Мікроскопічні неточності виготовлення прорізів, такі ж неточності встановлення світлочутливих елементів
Рисунок 34 - Схема розміщення основних елементів ППК
по прямій лінії, а також неоднаковість спрацьовування цих елементів приводить до неодночасної зміни стану фотоелементів.
Унаслідок цього можливі грубі помилки в 50, 25,…,%, тому на практиці кодова шкала у вигляді двійкового натурального числа практично не використовується, а використовується виключно лінійно циклічна кодова шкала за кодом Грея.
Код Грея –двійковий код (складається із
Рисунок 35- Кодова маска Грея
двох символів 0 та 1), у якому будь-які дві сусідні комбінації відрізняються зміною лише одного символу.
Під дією вимірювальної величини створюється переміщення Х, від якого рухається кодова маска, а світлочутливі елементи нерухомі. Отримаємо код Грея, у якому помилка при16 розрядах не може бути більше ніж:
→ 1/264=0,0016% - що є дуже гарною!
Код Грея чітко нормований, тобто кожному положенню кодової маски відповідає тільки одна кодова комбінація, і код Грея переводиться у двійкові, а також 10-ні числа за такими формулами.
Найстарші розряди коду Грея та двійкових чисел збігаються.
dn=γn; – dn – цифра двійкова; γn – символ кода Грея;
Взагалі код Грея переводиться в двійкові числа за такою формулою:
(mod2)
.
Взагалі за законом: 
.
Код Грея у вимірювальній техніці – це аналог первинного електричного сигналу, електричний носій інформації.
Способи перетворення кода Грея у двійкове число.
Код Грея – двійковий код, складений з символів 0 та 1, перетворюється у двійкове натуральне число з цифрами 0 та 1 за формулою di=γi+ di-1.
Схема для паралельного перетворення така:
Рисунок 36 – Схема паралельного перетворення коду
Грея
Приклади використання коду Грея у вимірюваль-них перетворювачах.
Рисунок 37 – Схема вимірювання різниці двох тисків
з ППК
Це вимірювальне перетворення суто цифрове, тобто в основному вимірювальному колі відсутній аналоговий сигнал.
3.9 ЦИФРОВІ ВИМІРЮВАЛЬНІ
ПЕРЕТВОРЮВАЧІ
Незважаючи на дуже широке застосування цифрової вимірювальної техніки, існує два засоби отримання безпосередньої цифрової інформації (без АЦП):
-
ППК; -
вимірювання часу між двома технічними явищами, діями.
Р
исунок 38 – Схема вимірювання часу між імпульсами
Час визначається числом високочастотних імпульсів: кварцові генератори з великою стабільністю видають високочастотні імпульси (десятки МГц) – імпульси підраховуються лічильником, на виході якого маємо значення часу у цифровому вигляді.
Вимірювання відстаней, глибин, висот
Найточнішими методами вимірювань відстаней між об’єктами є спектрометричні методи, зокрема локаційний метод, що ґрунтується на вимірюванні часу проходження вимірюваної відстані променем, швидкість якого відома і залишається незмінною під час вимірювання. Практично для реалізації локаційного методу можна використати всі види випромінювань, але найпоширенішими є методи та засоби радіолокації, оптичної та акустичної локації. Локаційний метод, що базується на використанні звукових та ультразвукових хвиль, називають ехо-звуковим.
Таким самим способом цей засіб можна використати для вимірювання рівня.
Ультразвукове вимірювання витрат
Рисунок 39 – Схема ультразвукового вимірювання витрати
На горизонтальному відрізку труби під кутом 300-450 встановлюються дві ультразвукові головки 1 та 2. Спочатку головка 1 випромінює імпульс ультразвуку, а 2 сприймає його і визначається час t12 по ходу течії, потім 2 випромінює, а 1 – сприймає імпульс проти течії та визначається час t21.
За різниці часів t1 i t2 визначається швидкість течії. Мікропроцесорний пристрій здійснює необхідне обчислення та запам’ятовує витрати протягом тривалого часу.
следующая страница>