ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА РАБОТЫ
методическое руководство к лабораторным работам по курсу
"АВТОМАТИЗАЦИЯ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА"
для студентов очного и очно-заочного обучения
горно-нефтяного факультета.
- 2007 г. -
Составитель: доц. САЖИНА Р.А., ст. преподаватель ТОКАРЕВ В.В.
УДК 658.5
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА РАБОТЫ
ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ(составитель доц. Сажин Р.А.. ст. преп. Токарев В.В.)
Приведено описание устройства и принципа работы различного типа датчиков, давления и температуры. Приведена методика исследования характеристик этих датчиков
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
1.
Целью лабораторной работы является знакомство с устройством и принципом работы и характеристиками различного типа датчиков для замера величины давления и температуры, расположенных на учебном стенде, позволяющем исследовать их характеристики.
2. СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ.
Для получения информации с объектов управления о величине давления или температуры в системах автоматики используют соответствующие датчики. На нашем стенде установлены несколько типов таких датчиков. Общий вид этого стенда показан на Рис. 1.
Рис. 1. Общий вид стенда для исследования характеристик датчиков давления и температуры.
На стенде представлены следующие элементы:
1 – Гидроцилиндр для нагрузки датчиков давления;
2 – Образцовый манометр;
3 – Датчик давления типа «АИР-10»;
4 – Датчик давления типа «Сапфир»;
5 – Блок питания датчиков;
6 – Пульт управления стендом;
7 – Много канальный регистрирующий прибор «ТМ5103»;
8 – Устройство регулирования температуры;
9 – Датчик температуры типа «ТСМУ 0104»;
10 – Датчик температуры типа «Метран».
На стенде все датчики питаются от единого блока питания 5 и подключены через соответствующие тумблеры к входам много канального вторичного регистрирующего прибора 7.
Установка давления на оба соответствующих датчика производится нагрузочным винтом гидроцилиндра 1, а установка необходимой температуры на входе соответствующих датчиков производится нагревателем, в полости которого находятся чувствительные элементы датчиков температуры. Величина самой температуры задается регулятором тока 8, подаваемым на нагреватель.
3. ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ.
Группа датчиков давления расположена слева на панели стенда. Общий вид установки датчиков давления на этой панели показан на Рис.2.
На стенде датчики давления соединены в общую гидравлическую систему, давление в которой создается гидроцилиндром 1 с помощью закручивания винтового штока 2, который рукояткой вворачивается в верхний торец этого цилиндра. В нижнем торце цилиндра расположен запорный вентиль 3, с помощью которого можно частично регулировать давление с гидросистеме от нуля до некоторого установленного максимума.
Образцовый манометр 4 регистрирует давление в гидросистеме, в которую одновременно встроены оба датчика давления. Датчик 5 современного типа марки «АИР-10» (предел измерения 0-2,5 МПа) серийно выпускается научно –производственным предприятием «ЭЛЕМЕР». Второй датчик 6 это датчик старого образца марки «САПФИР- 22М-ДИ» (предел измерения 0-1,0 МПа).
Датчик давления «САПФИР- 22М-ДИ» состоит из измерительного
блока и электронного устройства
Рис.2 Расположение датчиков джавления на панели стенда.
Схема измерительного блока датчика «САПФИР» показана на Рис. 3. Чувствительным элементом этого блока является мембрана, которая деформирует под действием измеряемого давления в полости 8. Эта мембрана герметично размещена между половинками корпуса 7 датчика. Под действием измеряемого давления мембрана 6 деформирует, передавая давление жидкости, находящейся в надмембранной полости датчика.
За счет давления этой жидкости происходит деформация торца тензопреобразоватнля 4. На торцевой поверхности этого элемента помещен тензочувствительный элемент 2, который состоит из монокристаллической сапфировой изоляционной подложки и пленочного кремневого тензорезистора, включенного в электронную схему этого датчика.
Структура электронной схемы датчика «САПФИР- 22М-ДИ» показана на Рис.4. На вход этой электронной схемы подается с блока питания напряжение питания, которое может колебаться в пределах от 12 до 36 вольт. Стабилизатор «СтН» датчика поддерживает необходимый постоянный уровень напряжения питания, а усилитель мощности «УМ» создает необходимую мощность сигнала на входе регулятора тока «РТ2».
 | |||
 | |||
Этот регулятор предназначен для обеспечения пропорционального тока выходного сигнала датчика в пределах от 4 до 20 ma. Сигнал управления на этот регулятор поступает с выхода усилителя «>» тензометрического сигнала, который в свою очередь получает сигнал от суммирующего элемента.. Вход и выход всего этого устройства шунтирует регулятор тока «РТ1». Принцип работы схемы электронного блока, представленной на Рис.4, следующий:
Рис. 3 Схема чувствительног элемента измерительного блока датчика «САПФИР».
Тензосопротивление «ТР» сорвместно с резисторами R1, R2, R3 подключается в схему резисторного моста, в диаганаль 1,2, которого подается стабилизированное напряжение питания, выходной сигнал рассоглосования этого моста снимается в точказ 3,4. Рассоглосование этого моста пропорционально изменению сопротивления тензорезистора «ТР».
Напряжение рассогласования моста подается через суммирующий элемент на вход усилителя сигнала, выходной сигнал которого подается на регулятор выходного тока (сигнала) датчика. Сигнал усилителя пропорционально отражает выходной сигал датчика.
Для стабилизации характеристики усилителя на вхд его через
 |  | ||
сумматор подключен регулятор тока «РТ1», который меняет коэфициент усиления этой схемы. Для балансировки тензометрического моста потенциометр R3. Температурная стабилизация моста обеспечивается термосопротивлениями R4 и R5.
Рис. 4. Структура электронной схемы датчика «САПФИР- 22М-ДИ»
Датчик давления «АИР-10» также состоит из первичного преобразователя и электронного устройства. Первичный преобразователь этого датчика работает по принципу, показанному на Рис.3.
Работа электронного устройства этого датчика Рис.5 несколько отличается от выше описанной схемы. Прежде всего тем, что тензорезистор «ТР» подключен по схеме делителя напряжения на вход усилителя, который пропорционально усиливает сигнал от некоторого исходного (нулевого уровня), который обеспечивается блоком установки нуля.
Выходной сигнал усилителя с помощью «АЦП» преобразуется в цифровой код, который по интерфейсу «» может сразу передаваться по сети к устройствам управления.
Для формирования аналогового выходного сигнала, цифровой сигнал датчика через «ЦАП» преобразуется в некоторый уровень аналогового сигнала, который в виде токового сигналаи появляется на выходе датчика.
Для стабилизации питания датчика в его схему включен стабилизатор напряжения «СтН».
Нулевая балансировка датчика обеспечивается блоком установки нуля, который может быть подключен кнопкой «К1» или через геркон «ГК».
Рис 5. Структура электронной схемы датчика «АИР-10».
В схему длатчика входит устройство выбора диапазона измерений, представляющее собой набор переключателей, с помощью определенной комбинации вкючения которых может быть установлен нужный диапазон измерений давления для этого датчика.
4. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ.
Группа датчиков температуры расположена в правой части стенда. Общий вид установки датчиков температуры па панели стенда показан на Рис.6.
Как и в предыдущем случае на стенде датчики температуры 3 и 4 подсоединены к одному нагревательному элементу 5, температура нагрева которого регулируется силой тока нагревателя через устройство 2. Показания обеих датчиков (как и датчиков давления) регистрируются на многоканальном цифровом индикаторе 1.
Один из этих датчиков3 типа «ТСМУ 0104» (предел измерения 0-50оС) серийно выпускается научно –производственным предприятием «ЭЛЕМЕР». Второй датчик 4 это датчик старого образца марки «Метран 200Т» (предел измерения 0-150оС).
Принцип работы этих датчиков одинаков и основан на использовании в качестве чувствительного элемента термосопротивления «ТС», сопротивление которого электрическому току пропорционально температуре его нагрева..
 |
Оба датчика температуры состоят из первичного преобразователя (термосопротивления), помещенного в герметичную трубку, которая подвержена нагреву и электронного блока, формирующего выходной сигнал датчика. Структура электронной схемы датчика «Метран» показана на Рис. 7.
 |
 |
Рис. 6. Расположение датчиков температуры на панели стенда.
Как и в датчике «САПФИР» в датчике «МЕТРАН» чувствительный элемент «ТС» включен в схему делителя стабилизированного напряжения через усилитель мощности. Величина сопротивления элемента «ТС» определяет величину потенциала в точке 3 электронной схемы. Этот потенциал суммируется с сигналом обратной связи, снимаемого с выхода усилителя и корректируемого регулятором тока «РТ1». На вход сумматора подается так же сигнал температурной коррекции характеристики усилителя термосопротивлением R4. Балансировка нуля в точке 3 делителя напряжения производится через сопротивление R3.
С выхода усилителя сигнал, пропорциональный температуре нагрево чувствительного элемента подается на регулятор тока «РТ2». Таким оюразом выходной токовый сигнал датчика «МЕТРАН» формируется на регуляторе тока, сопротивление которого электрическому току меняется в зависимости от потенциала в точке 3 делителя напряжения.
Рис.7. Структура электронной схемы датчика «МЕТРАН».
Структура электронной схемы датчика «ТСМУ 0104» показана на Рис.8. Отличительной особенностью этой схемы является то, что делитель напряжения состоит из двух терморезисторов «ТС1» и «ТС2», каждый из которых имеет свой номинал сопротивления и подключается в схему черех переключатель «П1». Кроме того в схему делителя напряжения переключателем «П1» могут быть включены в различной комбинации сопротивления R1, R2, R3, R4, R5. Это позволяет изменять диапазон температур, которые может зафиксировать данный датчик.
Рис.8. Структура электронной схемы датчика «ТСМУ 0104».
Общаяя монтажная схема всех приборов стенда показана на Рис.9. Основой этой схемы является многоканальный индикатор (термометр) «ТМ5103» 3, на четыре канала которого подключены вышеописанные датчики. Подключение датчиков производится по схеме «токовая петля». Питание датчиков в схеме производится от четырех канального блока питания 1.
 |
Рис.9. Схема включения датчиков в стенде.
 |
Рис. 10 Расположение блока питания 3, органов управленияс 2 и цифрового индикатора 3 на панели стенда.
5. БЛОК ПИТАНИЯ
На стенде используется источник питания постоянного тока БП 96 /24-4/20DIN (блок питания), который серийно выпускается научно-производственным предприятием «Элмер». Данный источник питания предназначен для обеспечения питания датчиков напряжением постоянного тока величиной в 24 вольта с максимальной нагрузкой до 120 ма. Этот блок питания имеет четыре независимых и гальванически развязанных канала питания, каждый из которых контролируется по перегрузке. При нормально работе каждого из каналов постоянно горит зеленый светодиодный индикатор. В случае перегрузка одного из каналов выходной сигнал блокируется и на панели блока питания загорается красный светодиодный индикатор, расположенный ниже зеленого. При снятии перегрузки с канала автоматически возобновляется подача выходного сигнала, красный индикатор гаснет и загорается зеленый.
Подача сигнала с блока питания на соответствующий датчик обеспечивается тумблером, номер которого проставлен на панели тумблеров 2.
6. ТЕРМОМЕТР МНОГОКАНАЛЬНЫЙ (ИНДИКАТОР).
Термометр многоканальный типа ТМ 5203 предназначен для контроля (индикации) температуры или других неэлектрических параметров поступающих с датчиков в виде сигналов постоянного тока или напряжения.
Термометр многоканальный является многофункциональным микропроцессорным прибором, который может быть использован как индикатор сигнала так и средством для передачи сигналов в компьютерных информационных сетях.
Измерительные каналы этого термометра могут быть сконфигурированы для токовых согналов на следующие диапазоны: 0….5 ма 0….20 ма и 4….20 ма.
Входные сигналы на этот термометр могут быть поданы с термосопротивлений или тензосопротивлений. Термометр многоканальный может быть использован для управления релейными элементами, входящими в его структуру.
Термометр многоканальный состоит из встроенного блока питания, восьми канальных, гальванически развязанных усилителей сигнала и встроенных фильтров на каждый канал. Аналого-цифрового преобразователя, микропроцессорного блока управления и цифровой индикации с клавиатурой управления. Восьми исполнительных реле, клеммных соединителей и модуля интерфейса.
Блок питания прибора обеспечивает стабилизированным напряжением восемь канальных усилителей. Каждый из каналов защищен фильтром от помех.
Аналого-цифровой преобразователь преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой код, поступающий на модуль индикации и в микропроцессорный модуль.
Модуль индикации и клавиатуры обеспечивает выдачу информации через цифровые индикаторы. На лицевой панели прибора расположен четырех разрядный цифровой индикатор (основное табло), предназначенный для отображения измеряемой величины или вводимой уставки.
Ниже основного табло расположен одноразрядный индикатор для отображения номера активного канала. Для выбора этого канала используются клавиши «V», «^», расположенные за этим индикатором. НА следующем уровне лицевой панели прибора расположена клавиша «>», позволяющая выбрать один из четырех возможных режимов работы прибора, каждый из этих режимов высвечивается после его выбора.
На первом режиме производится циклический, последовательный просмотр измерений по всем каналам. Время просмотра на отдельном канале предустанавливается. На втором режиме постоянно производятся измерения только на выбранном канале. На третьем и четвертом режимах просматриваются уставки соответственно типа 1 или 2.
Микропроцессорный блок управления предназначен для выполнения следующих функций: расчета по данным АЦП измеряемой величины и пересылки ее на индикатор; управление модулем индикации и клавиатурой; управление модулем интерфейса; управление работой коммутируемых реле.
На самом нижнем уровне лицевой панели прибора расположены индикаторы коммутируемых реле, которые загораются только тогда, когда конкретное реле включается микропроцессором в работу.
При возникновении каких либо сбоев в работе многоканального термометра на основном табло появляются сообщения об ошибке, которые могут быть следующими:
«Err 0 », «Err 1 », «Err 4 » – ошибка во внутренней памяти прибора;
«Err 2 » – неправильно установлен сетевой номер;
«Err 5 » – нет включенных каналов.
В случае возникновения этих ошибок микропроцессор автоматически присваивает номер прибора 0. После устранения причины ошибки номер прибора восстанавливается.
«-OU- » – переполнение. На вход измеряемого канала подан сигнал больше допустимого.
«-AL- » – обрыв датчика.
«----» – число, которое не возможно вывеси на индикатор. Нужно уменьшить число знаков после запятой.
Многоканальный термометр на стенде установлен на величину токового сигнала, который должен колебаться в пределах от 4 до 20 ма. Если сигнал выходит за пределы этого диапазона то прибор указывает на перегрузку соответствующей ошибкой.
7. МЕТОДИКА РАБОТА НА СТЕНДЕ.
7.1. Методика замера давления датчиками «АИР-10» и «Сапфир».
Для исследования нагрузочных характеристик датчиков необходимо включить питание всего стенда при этом на пульте его управления загорит индикатор включения сети и на основном табло прибора ТМ 5203 появится некоторая информация.
После этого клавишей «>» перевести прибор на режим 2, при этом загорится второй (слева) зеленый светодиод. Далее тумблером К1 нужно подать питание на датчик «АИР-10», а на приборе ТМ 5203 клавишей «V» или «^» выбрать канал с номером 1. После всего этого на основном табло многоканального термометра появится информация о давлении, которое воспринимает этот датчик в текущий момент. Если на образцовом манометре 4 (смотри Рис.2) в нагрузочной системе датчиков регистрируется нулевое давление, то основное табло прибора должно показывать число 4. 00, что соответствует начальному значению диапазона измерений этого прибора, т.е. 4 ма.
Если на стенде открыть запорный вентиль 3, а рукояткой нагрузочного винта 1 установить в системе давление 10 (что соответствует 1 кг/см2), то на основном табло прибора значение измеряемого параметра изменятся. Величина этого параметра вычисляется по формуле
| (1) |
Где I – показания прибора;
P – величина измеряемого давления датчиком «АИР-10»;
50 – величина верхнего предела давления датчика «АИР-10»;
16 – диапазон шкалы датчика в ма;
4 – показания датчика при нулевом давлении
Из этой формулы получим формулу, по которой показания прибора переводятся в давление, т.е:
| (2) |
Для исследования нагрузочной характеристики датчика «АИР-10» необходимо последовательно устанавливать на образцовом манометре давление «Рм», значение которого приведены во втором столбце таблицы 1. Но основном табло многоканального термометра нужно считать показания и записать их в третьем столбце таблицы 1. По расчетной формуле 2 нужно рассчитать величину показаний датчика давления в атмосферах (кг/см2).
Таблица 1
| Показания образцового манометра (Рм) | Показания Iт многоканального термометра на канале 1 (ма) | Расчетные (по формуле 2) показания датчика Рд | |
| 4.0 | |||
По данным этой таблицы построить зависимости Iт = f (Рм) и Рд = f (Рм).
Для исследования нагрузочной характеристики датчика «Сапфир» нужно тумблером К2 подать питание на этот датчик и переключить прибор ТМ 5203 на канал с номером 2. Аналогично устанавливать на образцовом манометре давление «Рм», значение которого приведены во втором столбце таблицы 2.
Так как рабочий диапазон этого датчика меняется от 0 до 10 кг/см2, то формула для пересчета его показаний выглядит следующим образом.
| (3) |
Если на образцовом манометре 4 в нагрузочной системе датчика «Сапфир» регистрируется нулевое давление, то основное табло прибора так же должно показывать число 4. 00, что соответствует начальному значению диапазона измерений этого прибора, т.е. 4 ма. То есть. начальные значения показаний обеих датчиков должны совпадать. Далее их характеристики расходятся
Таблица 2
| Показания образцового манометра (Рм) | Показания Iт многоканального термометра на канале 2 (ма) | Расчетные (по формуле 3) показания датчика Рд | |
| 4.0 | |||
По данным таблицы 2 нужно построить зависимости Iт = f (Рм) и
Рд = f (Рм) и сравнить их с предыдущим графиком.
7.2. Методика замера температуры датчиками «ТСМУ 0104» и «Метран».
Нагрузочную характеристику датчиков температуры «ТСМУ 0104» и «Метран» снимают следующим образом. Так как оба датчика помещены в одном и том же нагревателе, значение температуры нагрева которого зависят от величины тока, подаваемого к нему с соответствующего регулятора, то эту температуру будем регулировать величиной этого тока.
Для этого тумблером К3 подаем питание на датчик «ТСМУ 0104», а тумблером К4 соответственно включаем датчик «Метран». На приборе ТМ 5203 для датчика «ТСМУ 0104» выбираем канал 3, а для датчика «Метран» соответственно канал 4..
Начальное значение температуры определяется температурой окружающей среды лаборатории, которое мы замеряем комнатным термометром.
Значение показаний многоканального термометра на третьем канале определяются формулой 4, а на четвертом его канале соответственно формулой 5.
| (4) |
| (5) |
Из этоих формул получим формулы, по которым показания прибора переводятся в темтературу, т.е:
| (6) |
| (7) |
Величину тока нагревателя регулируем последовательно и ступенчато в соответствии с данными, приведенными в таблице 3 и 4.
Для датчика «ТСМУ 0104» заполняем таблицу 3.
Таблица 3
| Показания Амперметра регулятора тока (а) | Показания Iт многоканального термометра на канале 3 (ма) | Расчетные показания датчика Тд (по формуле 6) | |
| 4.0 | |||
| 0.3 | |||
| 0.6 | |||
| 0.9 | |||
| 1.2 | |||
| 1.5 | |||
| 1.8 |
| 2.1 | |||
| 2.4 | |||
| 2.7 | |||
| 3.0 |
Аналогичную таблицу 4 заполняем для датчика «Метран».
| Показания Амперметра регулятора тока (а) | Показания Iт многоканального термометра на канале 4 (ма) | Расчетные показания датчика Тд (по формуле 7) | |
| 4.0 | |||
| 0.3 | |||
| 0.6 | |||
| 0.9 | |||
| 1.2 | |||
| 1.5 | |||
| 1.8 | |||
| 2.1 | |||
| 2.4 | |||
| 2.7 | |||
| 3.0 |
Для того чтобы сохранить адекватность температурного нагрева для обеих датчиков необходимо последовательно устанавливать значение тока нагревателя, указанное построчно в таблицах. Обеспечить выдержку времени, необходимую для прогрева датчика. Признаком такого прогрева будет неизменность показаний основного табло многоканального термометра сначала на канале 3, а затем на канале 4. После этого погрева необходимо записать в каждую из таблиц показания прибора на соответствующем канале.
После этого регулятором установить очередное значение тока нагрева и снова обеспечить выдержку времени для прогрева датчика.
После заполнения обеих таблиц производится расчет измеренной температуры соответственно по формулам 6 и 7. Расчетные данные заносятся в соответствующие столбцы таблиц.
По данным этих таблиц нужно для каждого датчика построить зависимости Iт = f (Iр) и Тд = f (Iр).
где Iр – значение тока регулятора температуры нагрева датчика.
17