Вторичные приборы показывающие и самопишущие предназначены для контроля и регулирования температуры, давления, расхода, уровня и других технологических величин. Они работают с соответствующими измерительными преобразователями. Кроме того, изготавливаются электрические вторичные приборы, на вход которых подается унифицированный аналоговый входной сигнал (0-5, 0-20, 4-20 мА, 0-10 В и др.). Эти приборы могут работать в комплекте с любыми измерительными преобразователями, на выходе которых имеются унифицированные электрические сигналы.
Автоматический потенциометр КСП4 предназначен для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры при работе в комплекте с одним из ТЭП стандартной градуировки.
В отличие от лабораторных переносных приборов движок реохорда автоматических потенциометров перемещается не вручную, а автоматически при помощи специального устройства. При этом нуль-прибор, показывающий небалансный ток измерительной цепи потенциометра, заменен электронным нуль индикатором, состоящим из электронного усилителя и реверсивного двигателя. При изменении ТЭДС ТЭП в цепи появляется постоянное напряжение небаланса, которое преобразуется и усиливается до величины, достаточной для вращения ротора реверсивного электродвигателя. Последний через кинематическую систему перемещает движок реохорда в зависимости от знака напряжения небаланса в ту или другую сторону, автоматически уравновешивая измерительную схему. Одновременно с движком реохорда перемещается прямолинейно движущаяся каретка, имеющая показывающую стрелку и записывающее перо.
Принципиальная схема автоматического потенциометра КСП4, питание измерительной части которого осуществляется от источника постоянного стабилизированного тока ИПС для достижения постоянства рабочего тока приведена на рисунке 2.3.2.1.
ТЭДС ТЭП компенсируется разностью потенциалов, возникающей в измерительной диагонали мостовой измерительной схемы. Последняя обеспечивает компенсацию измеряемой ТЭДС ТЭП известным падением напряжения па реохорде с высокой точностью, предусматривает автоматическое введение поправки в показания прибора на температуру свободных спаев, позволяет легко изменять градуировку прибора, получать шкалы с нулем вначале или в середине их, а также безнулевую шкалу.
Рисунок 4 - Принципиальная схема автоматического потенциометра КСП4:
Т – ТЭП; ИМ - измерительный мост; ИПС - источник постоянного стабилизированного тока; РД - реверсивный двигатель; РУ - регистрирующее устройство; СД - синхронный двигатель; УС – усилитель.
Измерительная схема потенциометра состоит из двух цепей. Первая - цепь источника тока, включающая источник постоянного стабилизированного тока ИПС, от которого питаются вспомогательная ветвь с током i1 и рабочая с током i2.
Вторая - цепь ТЭП, в которую входят ТЭП Т, часть общего сопротивления реохорда Rоб, постоянный резистор Rн и резистор Rк, предназначенный для автоматического введения поправки на температуру свободных спаев ТЭП. Последнее возможно в случае одинаковых температур свободных спаев ТЭП и резистора Rк, поэтому в потенциометре резистор Rк расположен в месте включения ТЭП.
Резисторы измерительной схемы Rн, R, Rп, Rш и R1 выполнены из манганина, резистор Rк изготовлен из меди.
Измеряемая ЭДС ТЭП Е(tt0’) уравновешивается разностью потенциалов в точках b и d измерительной схемы потенциометра, т. е. падением напряжения на части общего сопротивления реохорда Rоб, состоящего из трех параллельно включенных резисторов Rp, Rш и R, и на резисторах Rн и Rк:
Е (tt0’) = i2 R’об + i2 Rн – i1 Rк (1)
где t - температура рабочего спая ТЭП; t0’ - температура свободного спая ТЭП; R’об - часть приведенного сопротивления реохорда между точками а' и d измерительной схемы, величина которого зависит от положения движка реохорда.
При соблюдении равенства (1) напряжение небаланса на электронный усилитель подаваться не будет. При этом движок реохорда неподвижен, а стрелка прибора показывает измеряемое значение ТЭДС ТЭП.
В случае нарушения равенства (1) на выходе измерительной схемы появляется напряжение небаланса, которое усиливается по напряжению и мощности до значения, достаточного для вращения реверсивного двигателя РД. Последний, вращаясь в соответствующем направлении, передвигает движок реохорда и тем самым устанавливает равновесие измерительной схемы. Одновременно РД перемещает показывающую стрелку и записывающее перо.
Конструктивно потенциометр КСП4 представляет собой стационарный прибор, все узлы которого размещены внутри стального корпуса размером 400х400х367 мм. Показания записываются в прямоугольных координатах на диаграммной ленте шириной 250 мм.
Автоматический потенциометр КСП4 питается переменным током напряжением 127/220 В и частотой 50 Гц. Число точек, одновременного измерения от 1 до 12. Скорость продвижения диаграммной ленты от 20 мм/ч до 54 м/ч. Приборы могут снабжаться различными регулирующими устройствами. Шкалы их градуируются в °С соответственно градуировке ТЭП в комплекте с которой работает прибор. Быстродействие 1; 2,5 и 10 с. Классы точности 0,25; 0,5.
Рисунок 5 - Принципиальная схема автоматического моста КСМ-4:
Rt - ТС; ИМ - измерительный мост; УС – усилитель; РД - реверсивный двигатель; РУ - регистрирующее устройство; СД - синхронный двигатель
Наряду с потенциометрами типа КСП4 в промышленности используются автоматические потенциометры с дисковой шкалой типа КСПЗ, с прямоугольной шкалой типов КСП-1 и КСП2, с вращающимся циферблатом КВП1 и другие модификации. Принципиальные схемы их аналогичны описанной выше схеме потенциометров КСП4. Указанные модификации приборов отличаются одна от другой только конструктивными особенностями.
Автоматический мост КСМ4 предназначен для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры при работе в комплекте с одним из электрических ТС. Прибор (рис.5) позволяет определять температуру среды по величине электрического сопротивления Rt ТС, находящегося в ней и являющегося одним из плеч мостовой схемы.
Измерение величины изменения электрического сопротивления с использованием мостовой схемы основано на сравнении разности потенциалов двух промежуточных точек в параллельно включенных ветвях.
Питание измерительной схемы моста осуществляется от одной из обмоток силового трансформатора напряжением Umах = 6,3 В. Измерительная схема уравновешенного моста включает четыре плеча, три из которых представлены постоянными резисторами R1 R2 и R3, а четвертое - последовательно соединенным ТС Rt. постоянным резистором R4 и общим сопротивлением реохорда Roб. Точки Ь и d измерительной схемы присоединены к усилителю УС, являющемуся индикатором нарушения равновесия в измерительной схеме.
Если температура среды, в которой находится ТС Rt, неизменна, то мостовая схема находится в равновесии, разность потенциалов в точках b и d равна нулю, и напряжение небаланса, подаваемое на усилитель УС, отсутствует. Движок реохорда R1 в этом случае неподвижен, а стрелка прибора показывает измеряемое значение температуры.
В случае изменения температуры среды изменится температура ТС Rt и, следовательно, величина его электрического сопротивления. При этом измерительный мост разбалансируется, и в диагонали моста между точками b и d появится напряжение небаланса Ubd. Последнее подается на вход усилителя УС, где усиливается по напряжению и мощности, поступает на реверсивный двигатель РД и приводит в движение его ротор, который перемещает механически с ним связанные движок реохорда Rр, стрелку и перо по шкале прибора до тех пор, пока измерительный мост не придет в состояние равновесия. Напряжение на входе усилителя УС в этом случае станет равным нулю, электродвигатель РД остановится, а прибор покажет измеряемую температуру.
На точность показаний прибора влияет тщательность подгонки сопротивлений проводов Rл, соединяющих ТС с автоматическим мостом. Для подгонки сопротивлений соединительных проводов до градуировочного значения, Rс = 2, 5 Ом служат резисторы Ry величиной по 2,5 Ом каждый. При градуировании приборов сопротивление каждого провода, идущего от термометра до прибора, принято 2,5±0,01 Ом. Если сопротивление каждого провода меньше 2,5 Ом, то в соединительную линию последовательно включают добавочный резистор, дополняющий сопротивление каждого провода до 2,5 Ом. В производственных условиях ТС может находиться на значительном удалении от вторичного прибора.
При колебаниях температуры помещения, в котором прокладываются соединительные провода, величина их сопротивления будет изменяться. Как следует из уравнения (1), это приведет к дополнительной погрешности в показаниях прибора. Для практического устранения указанной погрешности применяют трехпроводную схему соединений термопреобразователя сопротивления с вторичным прибором. В этом случае точка а переносится к ТС. При таком соединении сопротивление одного провода Rл прибавляется к плечу измерительного моста, включающему ТС, а сопротивление другого провода Rл прибавляется к соседнему плечу моста с резистором R1.
Конструктивно автоматический уравновешенный мост КСМ4 выполнен так же, как и автоматический потенциометр КСП4, и имеет аналогичные технические характеристики.
Наряду с рассмотренным автоматическим уравновешенным мостом КСМ4 в промышленности используются показывающие и записывающие на дисковой диаграмме автоматические мосты КСМЗ; показывающие и записывающие на ленточной диаграмме мосты КСМ1 и КСМ2; показывающие мосты с вращающимся циферблатом КВМ1 и другие модификации. Принципиальные схемы их подобны описанной схеме автоматического моста КСМ4; различаются они только конструкцией отдельных узлов.
Автоматический дифференциально-трансформаторный прибор КСДЗ предназначен для непрерывного измерения записи и регулирования различных величин (уровня жидкости, давления, расхода жидкости, пара или газа и др.), изменение которых можно превратить в перемещение плунжера (сердечника) дифференциально-трансформаторной катушки датчика.
Принципиальная схема прибора КСДЗ с катушкой датчика приведена на рисунке 6. В первичном приборе, в комплекте с которым работает прибор КСДЗ, датчиком дистанционной передачи является дифференциально-трансформаторная катушка 1 с подвижным сердечником 11. В прибор КСДЗ встроена аналогичная дифференциально-трансформаторная катушка 6, сердечник 5 которой также может перемещаться. Катушки 1 и 6 имеют первичную и вторичную обмотки. Первичные обмотки обеих катушек соединены между собой последовательно и питаются от специальной обмотки силового трансформатора. Вторичные обмотки катушек 1 и 6 состоят каждая из двух секций, включенных навстречу одна другой, поэтому индуктируемые в них ЭДС противоположны но знаку.
При подаче напряжения переменного тока на первичные обмотки катушек 1 и 6 в их вторичных обмотках индуктируются ЭДС, величины которых в каждой секции зависят от положений сердечников 11 и 5. При среднем положении сердечников в дифференциально-трансформаторных катушках 1 и 6 ЭДС, наводимые в секциях их вторичных обмоток, равны и взаимно компенсируются. Изменение измеряемого параметра вызывает перемещение сердечника 11 в дифференциально-трансформаторной катушке 1 датчика, который приходит в рассогласование с сердечником 5 катушки 6 прибора КСДЗ. При этом между точками А и Б возникает напряжение небаланса, величина и фаза которого зависят от величины и направления смещения сердечника 11 в катушке датчика.
Рисунок 6 - Схема автоматического дифференциально-трансформаторного прибора КСДЗ с катушкой датчика:
1 - катушка датчика; 2 - контрольная кнопка; 3 - переменный резистор; 4 - обмотка корректировки нуля; 5, 11 - сердечники катушек; 6 - катушка прибора КСДЗ; 7 - кулачок; 8 - регистрирующее устройство; 9 - реверсивный двигатель; 10 - усилитель
Напряжение небаланса подается на электронный усилитель 10 для усиления по величине и мощности, а затем подводится к управляющей обмотке реверсивного двигателя 9 и ротор начинает вращаться. Выходной вал реверсивного двигателя, связанный с кулачком 7 через систему рычагов и тяг, перемещает сердечник 5 катушки 6 в положение, согласованное с сердечником 11 в катушке 7. В этот момент ЭДС, наводимые во вторичных обмотках обеих катушек, становятся равными, и наступает новое состояние равновесия. Разность потенциалов в точках А и Б обращается в нуль, и ротор двигателя перестает вращаться. При вращении вала реверсивного двигателя одновременно перемещаются связанные с ним стрелка прибора, записывающее перо и элементы регулятора.
Для проверки исправности прибора предусмотрена контрольная кнопка 2, при нажатии которой на вход усилителя подается напряжение только от дифференциально-трансформаторной катушки 6 вторичного прибора, и ее сердечник устанавливается в среднее положение, чему соответствует расположение стрелки прибора против контрольной отметки.
В прибор могут встраиваться различные задающие и регулирующие устройства, а также выходные преобразователи ГСП.
Конструктивно прибор КСДЗ выполнен в виде стального корпуса размером 320´320х380 мм с застекленной крышкой, внутри которого размещены основные узлы. Показания записываются на дисковой диаграммной ленте.
Быстродействие прибора 5, 16 с; время одного оборота диаграммы 24 ч. Основная погрешность показаний ±1%, записи ±1,6%. Шкала прибора градуируется в единицах величины, измеряемой им в комплекте с соответствующим датчиком.
Прибор аналоговый показывающий одношкалъный А501 предназначен для измерения силы и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных измерительными преобразователями в унифицированные выходные сигналы постоянного напряжения и постоянного тока.
Принцип действия прибора основан на компенсационном методе измерения входного сигнала, образованного электромеханической следящей системой. Пределы измерения входного сигнала: 0-1, 0-10В; 0-5, 0-20, 4-20 мА. Класс точности 1,0. Быстродействие 2,5 и 10 с. Длина шкалы 100 мм. Габариты (ширина´высота´глубина) 39´159´263 мм.
Прибор аналоговый показывающий многошкальный и для избирательного контроля параметров А511 предназначен для измерения напряжения постоянного тока с представлением результатов измерения на шкалах, числа отсчета которых выражены в единицах измеряемого первичными преобразователями параметров (температуры, расхода, давления, уровня и других неэлектрических величин).
Принцип действия прибора основан на компенсационном методе измерения входного сигнала, образованного электромеханической следящей системой. Прибор имеет восемь шкал и работает от датчиков с соответствующими преобразователями.
Пределы измерения входного сигнала: 0-1, 0-5, 0-10В. Класс точности 0,5. Быстродействие 2,5 с. Длина шкалы 160 мм. Время переключения шкал с первой на восьмую не более 4,0 с. Исполнения - щитовое, стоечное, настольное. Габариты 240´160´410,5 мм.
Приборы аналоговые показывающие одноканальные и двухканальные А502 предназначены для измерения электрических параметров, а также неэлектрических величин, преобразованных измерительными преобразователями в унифицированный выходной сигнал постоянного тока или постоянного напряжения.
Принцип работы приборов основан на компенсационном методе измерения входного сигнала, образованного электромеханической следящей системой. Приборы могут иметь равномерные и неравномерные шкалы, проградуированные в единицах температуры, расхода, давления и т. д. В двухканальных приборах измерение осуществляется независимо по каждому каналу. В приборы может быть встроено сигнальное устройство.
Пределы измерений входного сигнала 0-5, 0-20, 4-20 мА; 0-1, 0-10, 10-0-10В. Класс точности приборов 0,5. Быстродействие 1,0; 2,5; 10с. Длина шкалы 100 мм. Габариты: в стоечном исполнении 70´140´450 мм, в щитовом исполнении 80´160´590 мм.
Приборы аналоговые показывающие и регистрирующие одноканальные и двухканальные А542 предназначены для измерения и регистрации на диаграммной ленте электрических параметров и неэлектрических величин, преобразованных измерительными преобразователями в унифицированные входные сигналы постоянного напряжения и постоянного тока.
Принцип работы аналогичен действию прибора А501. Приборы могут иметь равномерные шкалы, проградуированные в единицах температуры, расхода, давления и т. д. В двухканальных приборах измерение осуществляется независимо по каждому каналу. Текущие значения параметров регистрируются на единой диаграммной ленте чернилами разного цвета. В прибор может быть встроено сигнальное устройство.
Пределы измерений входного сигнала 0-5, 0-20, 4-20 мА, 0-1, 0-10В. Основная погрешность показаний ±0,5%, записи и сигнализации ±1%. Быстродействие 1; 2,5; 10 с. Длина шкалы и ширина диаграммной ленты 100 мм. Скорость перемещения ленты 20, 40, 60, 180, 600, 1800 мм/с. Габариты в щитовом исполнении 80´160´590 мм.
Прибор аналоговый показывающий и регистрирующий трехканальный А543 предназначен для измерения и регистрации на диаграммной ленте значений силы или напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в унифицированные сигналы постоянного напряжения и постоянного тока. Прибор имеет три канала измерения и регистрации параметров. В остальном его основные технические данные такие же, как и прибора А542. Габариты прибора А543 в щитовом исполнении 120´ 160´590 мм.
Универсальный цифровой прибор А565 предназначен для измерения напряжения постоянного тока, температуры и других физических величин, преобразованных в напряжение постоянного тока; для сигнализации отклонения параметра от заданного значения; позиционного регулирования и преобразования из меряемой величины в выходной двоично-десятичный код. При меняется при автоматизации технологических процессов, в информационно-вычислительных системах и как самостоятельный прибор.
Работа прибора основана на принципе врем я импульсного преобразования входных сигналов с применением метода двухтактного интегрирования. Приборы могут быть одноканальными показывающими без сигнализации и с сигнализацией, атак же 12-канальными. Позволяют осуществлять трехпозиционное регулирование; работают в комплекте с преобразователями термоэлектрическими различных градуировок, а также с преобразователями измерительными, имеющими унифицированные выходные сигналы. Kлacc точности 0,1-0,25. Исполнение щитовое. Габариты 240´160´455 мм.
Универсальный цифровой прибор для измерения температуры А566 применяется при автоматизации технологических процессов, в информационно-измерительных системах и как самостоятельный прибор. Предназначен для измерения температуры и сигнализации отклонения ее от заданного значения, а также для позиционного регулирования.
Приборы могут быть одноканальными или 12-канальными показывающими, одноканальными показывающими и сигнализирующими (регулирующими); обеспечивают измерение в цифровой форме по любому из 12 каналов и выход результата измерения в пятиразрядном двоично-десятичном коде; работают в комплекте с термопреобразователями сопротивления ТСП и ТСМ различных градуировок. Класс точности 0,1-0,25. Исполнение щитовое. Габариты 240´160´455 мм.
Приборы регистрирующие «Диск-250» предназначены для измерения и регистрации силы или напряжения постоянного тока, температуры с использованием ТЭП и ТС, а также для измерения неэлектрических величин, преобразованных в унифицированные выходные сигналы и активное сопротивление.
Приборы осуществляют непрерывное измерение различных технологических величин и регистрацию их на диаграммном диске, а также преобразование входного сигнала в выходной непрерывный сигнал 0-5 или 4-20 мА; обеспечивают трехпозиционное регулирование с бесконтактным или контактным (релейным) выходом и двухпозиционную сигнализацию с релейным выходом; имеют различные исполнения в зависимости от входного сигнала, быстродействия, скорости вращения диаграммного диска и выходного регулирующего, сигнализирующего или преобразующего устройств. Приборы могут работать в комплекте с преобразователями термоэлектрическими ТХК, ТХА, ТПП, ТПР и термопреобразователями сопротивления ТСМ и ТСП, а также с преобразователями измерительными, имеющими унифицированные выходные сигналы.
Пределы измерения выходного сигнала прибора 0-5, 4-20 мА. Время оборота диаграммного диска 8; 24 ч. Быстродействие прибора 5,0; 16 с. Основная погрешность по показаниям и преобразованию ±0,5%; по регистрации, сигнализации и регулированию ±1,0%. Габариты 320´320´260 мм.
Прибор регистрирующий автоматический одноканальный следящего уравновешивания ГСП типа РП160 предназначен для измерения и регистрации напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных измерительными преобразователями в унифицированные выходные сигналы и активное сопротивление.
Прибор осуществляет непрерывное измерение и регистрацию на диаграммной ленте различных технологических величин. Длина шкалы и ширина ленты 160 мм. Рассчитан на работу с ТЭП и ТС, а также с преобразователями измерительными, имеющими унифицированные выходные сигналы 0-5, 0-20, 4-20 мА, 0-10В. Обеспечивает сигнализацию при отклонении измеряемого параметра от заданного значения, позволяет выполнить проверку исправности нажатием кнопки «контроль», обеспечивает возможность дистанционного управления перемещением диаграммной ленты.
Скорость перемещения ленты 20, 60, 160, 360, 600, 1200, 2400 мм/ч. Быстродействие прибора 2,5; 5: 10 с. Основная погрешность показаний и сигнализации ±0,5%, регистрации ±1,0%. Исполнение щитовое. Габаритные размеры 240´320´455 мм.
Приборы ГСП А550, А650, А660 предназначены для измерения и регистрации значений силы или напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных измерительными преобразователями в унифицированные выходные сигналы постоянного напряжения и постоянного тока.
Приборы А550 имеют стоечное исполнение (некоторые модификации из них предназначены для работы в щитовом корпусе); приборы А650 и А660 щитового исполнения. Изготавливаются 1- и 2-канальные с непрерывной регистрацией и 12-канальные с циклической регистрацией.
По методу измерения одноканальные и двухканальные приборы являются автокомпенсаторами следящего уравновешивания, многоканальные приборы - автокомпенсаторами следящего уравновешивания циклического действия.
Принцип работы одноканального прибора состоит в следующем. Измеряемый сигнал Ех через фильтр поступает на вход усилителя постоянного тока, где сравнивается с компенсирующим напряжением Uк на входе реохорда, к которому подключен стабилизированный источник напряжения. Сигнал ошибки DU=Ex – Uк после усиления поступает через формирователь длительности и коммутатор на шаговый двигатель. Последний через редуктор перемещает каретку с пишущим узлом и движок реохорда до тех пор, пока измеряемый сигнал не будет скомпенсирован напряжением Uк. В двухканальном приборе имеются две следящие системы, идентичные описанной.
В многоканальном приборе входные сигналы Ех1. Ех2. ……. Ех12 через коммутатор последовательно во времени поступают на вход следящей системы с шаговым двигателем, приводящим в движение печатающую каретку. Циклическая регистрация входных параметров также обеспечивается шаговым двигателем, печати.
Диапазоны изменения входных сигналов приборов 0-5, 0-20, 4-20 мА; 0-5, 0-10, (-10-0+10)В. Приборы могут изготавливаться в зависимости от типа используемого датчика со шкалами, имеющими диапазон измерений, характеристику и цену деления в соответствии со стандартными градуировками измеряемых технологических величин.
Длина шкалы и ширина поля регистрации 250 мм. Лентопротяжный механизм приборов имеет три исполнения: с видимым полем диаграммы высотой 60 мм, с видимым полем диаграммы высотой 140 мм и со свободным выпуском диаграммы. Размеры поля регистрации в приборах А550 составляют 60´ Х250 мм и 140´250 мм; в приборах А650-60´250 мм; в приборах А660-140´250 мм.
Периоды (циклы) регистрации в приборах с циклической регистрацией составляют 1, 3, 6, 24 и 72 с. Скорость перемещения диаграммной ленты: 180, 720, 1800, 7200, 18000, 36000 мм/ч в приборах с непрерывной регистрацией; 20, 60. 180. 720, 1800, 7200 мм/ч в приборах с циклической регистрацией.
Быстродействие приборов 0.5; 1,0; 2,5 с. Основная погрешность по показаниям ±0,25%, по регистрации ±0,5%. Габариты прибора А550 составляют 140´360´480 мм, прибора А650- 160´400´520 мм, прибора А660-240´480´520 мм.
Контрольные вопросы
1 Дайте определение вторичного прибора. Каково назначение вторичных приборов?
2 Какие элементы входят в состав вторичного прибора?
З На какие группы можно подразделить вторичные приборы по числу измеряемых сигналов?
4 Какие дополнительные функции (кроме измерения) могут выполнять вторичные приборы?
5 Перечислите основные методы представления информации во вторичных приборах?
6 На чем основан принцип действия пневматических вторичных приборов?
7 Привести классификацию электрических вторичных приборов. Кратко пояснить принцип действия каждого из них.