Измерение уровня жидкости.

Г Л А В А 6. ЭЛЕМЕНТЫАВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 

Измерительные устройства в судовой автоматике

 

Обязательной составной частью САР, систем автоматизированного управления (САУ), систем контроля и защиты являются измерительные устройства, отражающие информацию о значениях различных параметров или их отклонениях от заданных значений (рис. 6.1).

Измерительное устройство состоит в общем виде из чувствительного элемента (ЧЭ), задающего устройства (ЗУ) с координатой задания и сравнивающего устройства (СУ).

ЧЭ преобразует измеряемый параметр в сигнал, удобный для сравнения. Аналогичный сигнал формируется в ЗУ со значением, определяемым установкой . Сигналы ЧЭ и ЗУ в виде усилия, перемещения, электрического тока или другого параметра поступают на вход СУ, и в случае рассогласования входных сигналов на выходе СУ появляется сигнал (). Индекс «д » относится к измерительным устройствам, являющимися датчиками (аналоговый сигнал). При дискретном выходном сигнале прибор называется сигнализатором и вводится индекс «с » с координатой (, ).

Рисунок 6.1. Структурная схема измерительного устройства

 

 

6.2. Измерение давления.

Как правило, ЧЭ (датчик) представляет собой плоскую эластичную или жесткую мембрану (для малых давлений). Сильфонные датчики применяют для средних давлений, трубчатые - для высоких давлений. Эластичные мембраны изготавливают из аэростатной ткани или дюритовой резины (рис. 6.2, а). Жесткие мембраны изготавливают из нержавеющей стали или бериллиевой бронзы.

Сила давления, как правило, уравновешивается силой действия пружины, имеющей предварительную затяжку (), а сравнивающее устройство (вырожденное) обеспечивает выходную координату , пропорциональную входному сигналу p в соответствии со схемой на рис. 6.1

 

.

 

Рисунок 6.2. Функциональные схемы ЧЭ давления

 

 

Применение гофрированных мембран расширяет рабочий диапазон датчиков (рис. 6.2, б), часто применяют мембраны с жестким центром (рис. 6.2, в).

Изготавливают сильфоны из тампака, бериллиевой бронзы и нержавеющей стали.

Уравнение статики этих элементов (при малом влиянии сил трения и гистерезиса на статическую характеристику). Эти приборы имеют высокую прямолинейность статической характеристики, просты по конструкции, надежны и имеют невысокую стоимость, что и определяет масштаб их применения. Для измерения высоких давлений применяют трубчатые датчики давления (манометрическая трубка или трубка Бурдона и геликоидальная пружина), представленные соответственно на рис. 6.3.

 

Рисунок 6.3. Функциональная схема трубчатых датчиков давления:

а - трубка Бурдона; б - геликоидальная пружина

 

Трубка Бурдона представляет собой упругую металлическую трубку эллиптического или прямоугольного сечения, согнутую по радиусу. При повышении давления трубка расширяется, а при понижении – сгибается. В данном устройстве вырождены и совмещены ЧЭ, ЗУ и СУ. Выходной сигнал у_д пропорционален изменению давления. Трубка Бурдона широко используется в контрольно-измерительных приборах и устройств автоматики. Металлические мембраны и трубки Бурдона в рабочей зоне обладают свойствами пружин и не имеют остаточной деформации. Превышение предельных значений давлений вызывает остаточную деформацию, что недопустимо в эксплуатации. В области давлений до 10 МПа трубчатые пружины изготавливают из латуни или бронзы, для более высоких давлений – из стали.

Геликоидальная пружина представляет собой упругую металлическую трубку эллиптического сечения, закругленную по спирали. Принцип работы аналогичен.

П е р е п а д д а в л е н и й измеряют, например, для определения расхода жидкости или газа, а также сопротивления участка трубопровода. Для измерения малых перепадов давления (от 10 до 1600 Па) используют мембранный датчик из эластичной аэростатной ткани, дюритовой резины или фольги (рис. 6.4, а).

Рисунок 6.4. Функциональная схема датчиков перепада давления

 

Измеряемые давления и подводятся к полости датчика с обеих сторон мембраны, на жестком центре которой создается усилие , пропорциональное их разности и направленное в сторону меньшего давления. Выходной шток уплотняется в корпусе сальником или сильфоном. Во втором случае активная площадь мембраны со стороны штока будет меньше на размер активной площади уплотнительного сильфона.

Сильфонный датчик перепада давлений (рис. 6.4, б) применяется для измерения значительно больших перепадов давления, чем в первом случае. Датчик имеет ЧЭ и ЗУ в виде дополнительной пружины с устройством изменения предварительной затяжки пружины и СУ, выполненное в виде суммирующего рычага.

Эти датчики обладают высокой чувствительностью из-за отсутствия сил сухого трения в уплотнениях, прямолинейностью статических характеристик, просты и надежны в эксплуатации.

 

К о н т р о л ь д а в л е н и я. В СЭУ широкое применение получили комбинированные реле давления КРД (рис. 6.5). При превышении давления заданной величины (установка координаты задания с помощью устройства изменения предварительной затяжки пружины 6 угловой рычаг 3) вызывает срабатывание микровыключателя 8. Соответствующий электрический сигнал через шаговый разъем 9 поступает в систему автоматики, обеспечивая заданный алгоритм функционирования, например, срабатывание АПС, выполнение функции защиты или управления системой. Установка микровыключателя (юстировка)

 

 

Рисунок 6.5. Функциональная схема КРД:

1-корпус; 2-сильфон; 3-угловой рычаг; 4-пружина; 5-стопор; 6-устройство изменения предварительной затяжки пружины;

7-юстировочная плата; 8-микровыключатель; 9-электрический разъем типа ШР

 

обеспечивается подвижной платой 7 и фиксируется соответствующим винтом. КРД являются унифицированным элементом в системах автоматики с конкретным целевым назначением.

 

6.3. Измерение температур.

 

Для измерения температур применяются приборы (датчики) механического и электрического типа. Механические датчики основаны на тепловом расширении рабочего тела. Приборы, входящие в тепловой контакт с контролируемой средой и по показаниям которых определяют ее температуру, называют термометрами.

Устройства, предназначенные для регулирования температуры, называются терморегуляторами, а обеспечивающие работу АПС и систем контроля – термосигнализаторами.

М е х а н и ч е с к и е д а т ч и к и. Это датчики, действие которых основано на тепловом расширении жидких или твердых тел или на изменении давления газов или паров жидкости в замкнутых системах. Выходными сигналами таких датчиков являются перемещения или усилия, однозначно определяемые изменением температуры.

Ж и д к о с т н ы е т е р м о м е т р ы работают по принципу различного расширения оболочки и находящейся в ней жидкости. Стеклянный термометр состоит из баллончика с припаянной к нему прозрачной капиллярной трубкой и шкалы. Баллончик заполнен жидкостью, коэффициент теплового расширения которой в 15 – 30 раз больше, чем оболочки. Оболочку выполняют из стекла (кварца), в качестве наполнителя применяют жидкость (спирт, толуол) или текучий металл (ртуть, галлий).

Ж и д к о с т н ы й д а т ч и к т е м п е р а т у р ы состоит из ЧЭ в виде металлического термобаллона 1 (рис.6.6, а) и сильфона 3, связанных между собой металлическим (медным) капилляром 2, защищенным от внешних воздействий оболочкой. Внутренняя полость заполнена ксилолом, глицерином или ртутью. Термобаллон помещается в контролируемую среду. Выходной сигнал у_д (перемещение штока 5 с возвратной пружиной 4) пропорционален изменению температуры. Жидкостные датчики имеют большие перестановочные усилия и могут использоваться не только для измерения температуры, но и для целей управления (терморегуляторы), в качестве первичных приборов в АПС и защиты (термосигнализаторы).

Часто применяют приборы, аналогичные КРД и отличающиеся тем, что давление в сильфоне создается термобаллоном с легкоиспаряющейся жидкостью, помещенным в измеряемую среду и связанным с сильфоном при помощи капиллярной трубки. В данном случае прибор называется комбинированным реле температуры КРТ.

 

Д а т ч и к с т в е р д ы м н а п о л н и т е л е м т е р м о м е т р и ч е с - к о й с и с т е м ы имеет аналогичный принцип действия и свойства. Выполнен датчик (рис. 6.6, б) в виде жестко закрепленного сильфона 6, внутренняя полость которого заполнена воском с медными опилками. Датчик располагают в среде, температуру которой регулируют путем открытия (закрытия) проходного сечения подвода энергии, например, холодной жидкости или путем ее перепуска. Датчик вместе с регулирующим органом является простейшим терморегулятором.

 

Д и л а т о м е т р и ч е с к и й д а т ч и к (рис. 6.6, в) состоит из трубки 10, нижний конец которой связан со стержнем 11, выполненным из материала с нулевым коэффициентом теплового расширения (сплав инвар, кварцевый стержень). Верхний конец трубки впаян в резьбовой штуцер, на фланце которого закреплен рычаг 8, прижимаемый к стержню 11 пружиной 7. Датчик устанавливают на трубопроводе или теплообменнике 9, а трубка 10 погружена в контролируемую среду.

 

Рисунок 6.6. Функциональные схемы датчиков температуры

 

Трубку изготавливают из меди, латуни или стали. Изменение температуры среды приводит к пропорциональному перемещению рычага 8. Уравнение статики дилатометрического датчика

,

где и – соответственно коэффициенты линейного расширения материалов трубки и стержня; – активная длина дилатометра; t⁰ - температура среды;

– коэффициент статической передачи рычага, .

Недостатки прибора – малое перемещение, инерционность и невысокая точность измерения. Зато датчик обладает большим перестановочным усилием, что позволяет его использовать в качестве терморегулятора или термосигнализатора.

 

Б и м е т а л л и ч е с к и й д а т ч и к (рис. 6.6, г) состоит из плоской или спиральной биметаллической пружины 12, которая спаяна из двух пластин разнородных металлов. При изменении температуры пластины удлиняются неодинаково, вызывая изгиб плоской или скручивание спиральной пружины. Недостаток – невысокая точность измерения, достоинство – малая стоимость, простота и надежность.

 

Т е р м о м е т р и ч е с к и е д а т ч и к и по конструкции аналогичны жидкостным (см. рис. 6.6, а). Так, в парожидкостном датчике термопатрон заполняют на 2/3 объема жидкостью с температурой кипения ниже измеряемой, остальной объем занимают пары. Для диапазона измеряемых температур от

- 20^оС до +100^о С применяют хлорметил. От 0^о С до +125^о С – хлорэтиловую жидкость, от 0^о С до +150^о С – этиловый эфир или ацетон, от 0^о С до + 200^о С – бензол. Давление паров по капиллярной трубке с внутренним диаметром 0, 3 мм передается на дистанцию от 1.5…2 м до 9 м к датчику давления (манометру), шкала которого проградуирована в градусах Цельсия.

Общими недостатками этих датчиков являются большая тепловая инерционность, трудности ремонта в судовых условиях, ограниченность расстояния передачи входного сигнала.

 

Э л е к т р и ч е с к и е д а т ч и к и (рис. 6.6, д) с терморезисторами работают по принципу изменения активного сопротивления проводников и полупроводников при изменении их температуры.

К одной диагонали измерительного мостика Уитсона подведено постоянное напряжение, в другую – включен прибор для измерения тока, миллиамперметр. В три плеча мостика включены постоянные сопротивления R₁, R₂, R₃ в четвертое – терморезистор R_K, который размещен в зоне измеряемой температуры. Сопротивления подбирают так, чтобы при t = 0⁰С ток в цепи отсутствовал (мостик уравновешен). При изменении температуры ток I_д пропорционален температуре Iд = k t или y = k x (уравнение статики). Диапазон измерений от –50 до +600^о С. Датчик смонтирован в защитном герметизированном корпусе. Терморезистор представляет собой каркас с намотанной на нем проволокой (платиновой, медной или никелевой).

Подробная информация о терморезисторах изложена в Главе 1 «Полупроводниковые приборы», параграфе1.3 «Полупроводниковые резисторы»..

 

Т е р м о м е т р и ч е с к и е д а т ч и к и (пирометры) применяют для измерения высоких температур в СЭУ. На рис. 6.6,е представлен пирометр, состоящий из термопары (два изолированных проводника из разнородных металлов, спаянных между собой и помещенных в защитный металлический термостойкий корпус). Этот спай называется «горячим», к свободным концам («холодным» спаям) присоединен милливольтметр. При разности температур между горячим и холодными спаями возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), измеряемая милливольтметром и являющаяся выходным сигналом датчика. Применяемые приборы (пирометры) для измерения температур выпускных газов дизелей (типа ТКД - термометрический дизельный комплект) имеют дополнительное устройство для компенсации влияния температуры в месте установки измерительного устройства на выходной сигнал датчика. Обозначение термопар, например, платино-платинородиевых – ПП, хромель-копелевых – ХК, хромель-алюминиевых – ХА, медь-копелевые – МК и др.

Электрические датчики обладают высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых температур, возможностью передачи сигнала на большие расстояния.

Они незаменимы при применении микропроцессорных комплектов в системах судовой автоматики.

 

Измерение уровня жидкости.

П о п л а в к о в ы е д а т ч и к и у р о в н я получили широкое применение в СЭУ вследствие их простоты, линейности и малой стоимости при высокой надежности. Типичным представителем поплавковых датчиков является датчик фирмы «Мобрей». Датчик установлен в емкости на магнитопроницаемой вставке, перемещение рычага с поплавком вызывает перемещение магнита, который обеспечивает срабатывание герметизированных контактов (герконов), управляющих электрической цепью. В данном случае датчик используется в качестве сигнализатора уровня.

 

М е м б р а н н ы й д а т ч и к у р о в н я (рис. 6.7, а) широко применяется при автоматизации паровых котлов. Мембрана 5, разделяющая корпус датчика на две полости, является ЧЭ уровня воды в барабане котла 1. К жесткому центру мембраны подвешен груз 6. Нижняя полость корпуса через дроссельный клапан 7 соединена с конденсационным сосудом 2, уровень в котором поддерживается постоянным благодаря обратному сливу конденсата в котел через перепускную трубу. На мембрану снизу действует столб воды . Верхняя полость соединена с водяным пространством барабана, и на мембрану действует столб воды . Сила, действующая на мембрану площадью F от перепада уровней , уравновешивается суммой сил от веса груза 6 Gг и настроечной пружины 3. Уравнение статики датчика:

 

или ,

 

где – плотность воды;

– ускорение свободного падения;

– передаточный коэффициент;

– жесткость пружины;

– текущая деформация пружины;

– предварительная затяжка пружины.

 

Грузом уравновешивают ≈ 80% силы от перепада уровней, а пружиной ≈ 20%.

Достоинство мембранных датчиков – высокая чувствительность и отсутствие тепловой инерционности. Давление в котле уравновешено. Влияние качки снижают путем настройки дроссельного клапана 7.

 

 

Рисунок 6.7. Функциональные схемы датчиков уровня жидкости

 

Т е р м о г и д р а в л и ч е с к и й д а т ч и к у р о в н я (см. рис. 6.7, б) применяется на паровых котлах. Он состоит из стальной трубки 8, закрепленной внутри кожуха 9 с ребрами. Верхний конец трубки соединен с паровым, а нижний - с водяным пространствами пароводяного барабана 7. Поэтому, согласно свойству сообщающихся сосудов, уровень воды в них всегда одинаков.

Пространство между трубкой 8 и кожухом 9, заполненное конденсатом, соединяется трубкой 10 с сигнализатором давления или исполнительным механизмом усилителя, управляющим питательным клапаном (на рисунке не показаны). Устанавливают датчик так, чтобы угол наклона трубки 8 был примерно равен 30 градусам и ее середина соответствовала уровню воды в барабане котла.

При изменении уровня воды в барабане изменяется соотношение между площадями поверхностей трубки 8, омываемыми водой и паром. Теплоотдача пара выше, чем воды при одинаковой их температуре, поэтому количество теплоты, передаваемое водой и паром через трубку конденсату, заполняющему кольцевое пространство датчика, будет различным. При понижении уровня воды, например, изменение количества теплоты, подводимой к конденсату, вызовет его испарение и пропорциональное повышение давления на выходе из датчика. Недостаток датчика – значительная тепловая инерционность. На выходной сигнал влияет температура окружающей среды.

Вследствие простоты и надежности эти датчики используются при автоматизации небольших котлов.